KR101725108B1 - 초음파를 이용한 디젤 자동차용 우레아 scr 시스템의 요소수 수용액의 수위 및 농도 측정장치 - Google Patents

초음파를 이용한 디젤 자동차용 우레아 scr 시스템의 요소수 수용액의 수위 및 농도 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 측정장치에서 우레아환원제의 수위와 농도 및 온도를 측정할 수 있는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치 및 측정시스템에 관한 것이다.
본 발명의 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치에 의하면 하나의 측정장치에서 우레아환원제의 수위와 농도 및 온도를 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템에 의하면 우레아환원제 이외의 물질이 들어온 경우 이를 정확히 판별할 수 있는 효과가 있다.

Description

초음파를 이용한 디젤 자동차용 우레아 SCR 시스템의 요소수 수용액의 수위 및 농도 측정장치{A measuring device of level and concentration of urea-water solution tank of a urea-SCR system for automotive diesel vehicles using ultrasonic}
본 발명은 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 측정장치에서 우레아환원제의 수위와 농도 및 온도를 측정할 수 있는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치 및 측정시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에는 NOx가 포함되어 있으며, 이는 심각한 대기오염을 유발하는 원인이 되어 왔다. 따라서, 이러한 NOx를 제거하기 위한 방법으로 촉매적 환원방법이 사용되고 있다. 특히, SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템은 요소수(UREA, CO(NH2)2)를 환원제로 사용하여 SCR 촉매에 공급하도록 하는 것으로, NOx가 효과적으로 저감되는 것으로 알려져 있다.
이러한, SCR 시스템은 통상적으로 디젤엔진, SCR 촉매, 환원제 분사장치, 환원제 압송펌프, 환원제 보관탱크, 보관탱크 내부의 환원제 수위를 감지하는 수위 센서 및 각종 센서가 구비된 제어장치, 엔진제어장치와 같은 장치들로 구성되어 있었다.
여기서, 상기 요소수환원제는 연료와 별도로 구매한 후 주입해야 하는 번거로움 때문에 빈 탱크로 운행한다거나, 또는 환원제 대신 물을 주입하여 주행하는 경우가 발생하기도 한다. 이러한 경우 SCR 환원촉매는 NOx를 정화시킬 수 없게 되어 심각한 대기오염을 유발하는 원인이 되기도 한다.
이와 같이 정상적인 요소스환원제를 주입하지 않고 주행하는 것은 불법에 해당하는 것으로, 환경부 고시 제 2008-108호(제작자동차 인증 및 검사 방법과 절차 등에 관한 규정)에는 요소수환원제 탱크에 충전된 요소수용액을 전부 사용한 경우와 요소수 용액에 이물질을 혼입한 경우에는 자동차 출력이 제한 되도록 해야 한다는 규정이 있다. 이러한 규정을 따르기 위해서는 요소수환원제 탱크의 환원제 잔량 수위를 알려주는 장치뿐만 아니라, 요소수의 농도, 온도 및 요소수를 측정하여 알려줄 수 있는 장치가 필요하다.
등록특허번호 제10-1421137호(2014.07.14. 등록)
본 발명은 이와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 측정장치에서 우레아환원제의 수위와 농도 및 온도를 측정할 수 있는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우레아환원제 이외의 물질이 들어온 경우 이를 정확히 판별할 수 있는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수용액이 보관되는 보관탱크 내부의 일측면에 설치되는 본체; 상기 본체 내부에 구비되는 초음파센서; 및 상기 초음파센서와 전기적으로 연결되어 상기 초음파센서의 발신 및 수신을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 초음파센서는 상기 수용액의 수위를 측정하는 경사진동자와, 상기 수용액의 농도 및 온도를 측정하는 수직진동자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사진동자는 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면과 일정각도(θ)를 이루면서 입사하도록 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사진동자에서 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면까지 도달하는 시간을 이용하여 상기 수용액의 수위를 측정한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체는 상기 경사진동자에서 발신되는 초음파의 진행이 원활하도록 구멍이 형성되어 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수직진동자는 발신되는 초음파가 상기 본체가 설치된 상기 보관탱크 내부의 일측면과 맞은편인 타측면에 수직입사하도록 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수직진동자에서 발신되는 초음파가 상기 보관탱크 내부의 타측면에 수직입사한 후 되돌아 오는 시간을 이용하여 상기 수용액의 농도 및 온도를 측정한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사진동자와 상기 수직진동자는 음향분할판에 의해 서로 분리된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수용액은 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수(UREA, CO(NH2)2)환원제 수용액이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체 내부에 구비되는 전기전도도센서;를 더 포함하며, 상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제의 농도를 측정하고, 상기 요소수환원제의 농도를 기준 환원제 농도와 비교하여 상기 요소수환원제가 정상인지 판단한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제 수용액에 침수되어, 상기 요소수환원제의 전기전도도를 측정하는 전극을 포함하여 형성되고, 상기 전극은, 은 또는 동재질 등 전기전도 특성이 좋은 금속으로 형성된 기재의 외부표면에 백금이 도금된 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체의 외부면에는 상기 보관탱크의 일측면에 설치되도록 나사선이 형성되어 있으며, 상기 본체의 상기 보관탱크의 외부로 노출되는 부분에는 커넥터가 구비된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수(UREA, CO(NH2)2)환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치; 상기 측정장치로부터의 정보를 이용하여 상기 요소수환원제 수용액의 수위, 상기 요소소환원제의 농도 및 상기 요소수 환원제 수용액의 온도를 계산하는 정보처리부; 상기 정보처리부의 결과를 보여주는 디스플레이부; 및 상기 정보처리부의 결과신호를 엔진제어부(ECU)로 송신하는 송신부;를 포함하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 측정장치:는 수용액이 보관되는 보관탱크 내부의 일측면에 설치되는 본체; 상기 본체 내부에 구비되는 초음파센서; 및 상기 초음파센서와 전기적으로 연결되어 상기 초음파센서의 발신 및 수신을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 초음파센서는 수용액의 수위를 측정하는 경사진동자와, 수용액의 농도 및 온도를 측정하는 수직진동자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사진동자는 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면과 일정각도(θ)를 이루면서 입사하도록 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사진동자에서 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면까지 도달하는 시간을 이용하여 상기 수용액의 수위를 측정한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체는 상기 경사진동자에서 발신되는 초음파의 진행이 원활하도록 구멍이 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수직진동자는 발신되는 초음파가 상기 본체가 설치된 상기 보관탱크 내부의 일측면과 맞은편인 타측면에 수직입사하도록 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수직진동자에서 발신되는 초음파가 상기 보관탱크 내부의 타측면에 수직입사한 후 되돌아 오는 시간을 이용하여 상기 수용액의 농도 및 온도를 측정한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사진동자와 상기 수직진동자는 음향분할판에 의해 서로 분리된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체 내부에 구비되는 전기전도도센서;를 더 포함하며, 상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제의 농도를 측정하고, 상기 요소수환원제의 농도를 기준 환원제 농도와 비교하여 상기 요소수환원제가 정상인지 판단한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제 수용액에 침수되어, 상기 요소수환원제의 전기전도도를 측정하는 전극을 포함하여 형성되고, 상기 전극은, 은 또는 동재질 등 전기전도 특성이 좋은 금속으로 형성된 기재의 외부표면에 백금이 도금된 것이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명의 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치에 의하면 하나의 측정장치에서 우레아환원제의 수위와 농도 및 온도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템에 의하면 우레아환원제 이외의 물질이 들어온 경우 이를 정확히 판별할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치를 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치의 초음파센서를 설명하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 이용하여 수용액의 수위를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 초음파센서에 의한 수위 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 요소수환원제와 소금물의 농도에 따른 밀도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 초음파센서에 의한 수용액의 농도 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 요소수환원제 희석물질에 따른 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템을 설명하는 개략도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치를 설명하는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치의 초음파센서를 설명하는 개략도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 이용하여 수용액의 수위를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치(100)는 수용액(20)이 보관되는 보관탱크(10) 내부의 일측면에 설치되는 본체(110)와, 상기 본체(110) 내부에 구비되는 초음파센서(120) 및 상기 초음파센서(120)와 전기적으로 연결되어 상기 초음파센서(120)의 발신 및 수신을 제어하는 제어부(130)를 포함하여 구성되며, 상기 초음파센서(120)는 상기 수용액(20)의 수위를 측정하는 경사진동자(121)와, 상기 수용액(20)의 농도 및 온도를 측정하는 수직진동자(122)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 본체(110) 내부에는 상기 수용액(20)의 농도를 측정하는 전기전도도센서(140)가 더 구비되어 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치(100)는 상기 보관탱크(10)의 일측면에 설치되는데, 상기 본체(110)는 상기 수용액(20)에 침수된 상태에서 상기 보관탱크(10) 내부의 일측면에 설치된다.
상기 본체(110)는 다양한 방법에 의해 상기 보관탱크(10)의 일측면에 설치될 수 있다. 예를 들면, 상기 본체(110)의 외부면 및 상기 보관탱크(10)의 일측면에 나사선을 설치하여 체결볼트(160)를 통하여 간단하게 설치되도록 할 수 있다.
이때, 상기 체결볼트(160)에 의해 체결되고 남은 부분 즉, 상기 본체(110)의 상기 보관탱크(10)의 외부로 노출되는 부분에 커넥터(미도시)를 구비함으로써, 각각의 제어신호를 송수신 할 수 있도록 한다.
상기 본체(110)는 다양한 형상으로 구비할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 원통 형상으로 구비된 것을 예시하였다.
상기 본체(110) 내부에는 상기 초음파센서(120)와 상기 전기전도도센서(140)가 구비되어 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치(100)는 상기 초음파센서(120)를 이용하여 상기 수용액(20)의 수위, 농도 및 온도 측정이 가능하며, 이와 함께 상기 전기전도도센서(140)를 이용하여 상기 수용액(20)의 농도 측정이 가능하므로, 보다 정확한 측정이 가능할뿐만 아니라 이물질의 유입 여부에 대한 판별도 정확하게 할 수 있다.
상기 초음파센서(120)는 경사진동자(121)와 수직진동자(122)로 이루어져 있으며, 음향분할판(123)에 의해 서로 분리되어 있다.
상기 경사진동자(121)와 상기 수직진동자(122)는 초음파를 발생시키는 진동자로서 다양한 소재를 이용하여 구비할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 압전소자를 이용하였다. 상기 압전소자는 재료, 형상, 두께 등에 따라 고유한 전기적 특성이 결정되므로, 측정장치에 적합하게 적용하는 것이 바람직하다.
상기 경사진동자(121)는 상기 수용액(20)의 수면과 일정각도(θ)를 이루면서 입사하도록 구비되며, 상기 수용액(20)의 수위를 측정할 수 있다.
이때, 상기 본체(110)에는 상기 경사진동자(121)에서 발신되는 초음파의 진행이 원활하도록 구멍(111)이 형성되어 있다. 상기 구멍(111)은 초음파 진행의 원활함을 도모할 뿐만 아니라, 후술한 전기전도도센서(140)를 이용한 전기전도도 측정 시 요소수환원제 용액이 센서로 원활하게 흘러가게 하고, 상기 전기전도도센서(140)에 공기가 부착되는 것을 막아 주는 역할도 한다.
상기 경사진동자(121)를 이용한 상기 수용액의 수위 측정은 상기 경상진동자(121)에서 발신되는 초음파가 상기 수용액(20)의 수면까지 도달하는 시간을 측정함으로써 계산이 가능하다. 자세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 수직진동자(122)는 발신되는 초음파가 상기 본체(110)가 설치된 상기 보관탱크(10) 내부의 일측면과 맞은편인 타측면에 수직입사하도록 구비된다.
상기 수직진동자(122)를 이용한 상기 수용액의 농도 및 온도 측정은 상기 수직진동자(122)에서 발신되는 초음파가 상기 보관탱크(10) 내부의 타측면에 수직입사한 후 되돌아 오는 시간을 측정함으로써 계산이 가능하다. 자세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 음향분할판(123)은 상기 경사진동자(121)와 상기 수직진동자(122) 사이에 발생할 수 있는 간섭을 회피하기 위해 설치된다.
상기 제어부(130)는 상기 초음파센서(120)와 전기적으로 연결되어 있어, 상기 초음파센서(120)의 발신 및 수신을 제어한다. 이때, 상기 제어부(130)와 상기 초음파센서(120)를 연결하는 초음파센서연결선(124)이 구비되어 있어, 진동을 위해 필요한 전원공급이나 각종 제어신호들이 송수신된다.
상기 전기전도도센서(140) 역시 상기 본체(110) 내부에 구비된다.
상기 전기전도도센서(140)는 상기 요소수환원제 수용액에 침수되어, 상기 요소수환원제의 전기전도도를 측정하는 전극을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 전극은 은이나 동재질로 형성된 기재의 외부표면에 백금이 도금된 것을 사용할 수 있다.
상기 전기전도도센서(140)를 이용한 상기 수용액의 농도 측정은 상기 요소수환원제의 농도를 측정하고, 상기 요소수환원제의 농도를 기준 환원제 농도와 비교하여 상기 요소수환원제가 정상인지 판단함으로써 측정이 가능하다. 자세한 설명은 후술하기로 한다.
이때, 상기 제어부(130)와 상기 전기전도도센서(140)를 연결하는 전기전도도센서센서연결선(141)이 구비되어 있어, 전기전도도 측정을 위해 필요한 각종 제어신호들이 송수신된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치(100)는 별도의 온도센서(150)를 더 구비한다.
상기 온도센서(150)는 상기 초음파센서(120)를 이용하여 측정한 온도와 비교하여 정확도를 높일 수 있도록 한다. 그리고, 상기 전기전도도센서(140)를 이용한 농도측정의 경우, 전기전도도는 용액의 온도에 민감하게 변화하기 때문에 상기 온도센서(150)를 구비함으로써 온도에 따른 전기전도도 값을 보상하여 요소소환원제 농도 계산에 반영할 수 있도록 한다.
상기 본체(110)의 상기 보관탱크(10)의 외부로 노출되는 부분에는 커넥터(미도시)가 구비되어 있어, 상기 초음파센서연결선(124) 및 상기 전기전도도센서연결선(141)이 상기 제어부(130)에 연결될 수 있도록 하였다.
이상 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치(100)의 구성요소들을 설명하였고, 상기 측정장치를 이용하여 요소수환원제 수용액의 수위, 농도 및 온도를 계산하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
1)경사진동자를 이용한 요소수환원제 수용액의 수위 계산
먼저, 상기 경사진동자(121)에서 경사각(θ)은 초음파를 발신하여 진행한 초음파경로와 상기 보관탱크(10) 내부의 타측면의 수평면이 이루는 각도이다. 이 때, 상기 초음파센서(120)에서는 초음파가 요소수환원제 수용액의 수면(20)에 도달할 때까지의 시간을 측정할 수 있다. 초음파가 발신하면 액체속에서의 음파속도는 1610 m/s인데, 초음파가 액체에서 기체로 들어가게 되면 음파속도가 갑자기 340m/s로 떨어지게 되며, 이때 초음파가 되돌아 오는 시간을 측정하여 2로 나누면 수용액의 수면까지 음파가 도달하는데 걸리는 시간을 구할 수 있다. 그리고, 정해진 요소수환전제의 농도(32.5wt%)에서 초음파의 속도는 약 1610 (m/s)이므로, 초음파의 상기 수용액의 수면(20)에의 도달 시간을 측정하면 초음파의 진행거리(L)는 다음 [수학식 1]로 계산할 수 있다.
Figure 112015117827174-pat00001
한편, 상기 초음파센서(120)에서 상기 요소수환원제 수용액의 수면(20)까지의 높이(h)는 다음 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
Figure 112015117827174-pat00002
결국, 상기 요소수환원제 수용액의 수위(H)는 다음 [수학식 3]으로 계산할 수 있다.
Figure 112015117827174-pat00003
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 초음파센서에 의한 수위 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 초음파센서를 이용하여 요소수환원제 수용액의 수위를 측정한 결과치들이 실제 수위와 거의 유사함을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예와 같이 초음파의 진행거리(L)인 경사면을 이용하여 수위를 측정하게 되면, 초음파 측정 길이가 길어져 초음파센서를 바닥에 장착하여 직접 높이를 측정하는 것보다 정밀하게 수위를 측정할 수 있다.
2)수직진동자를 이용한 요소수환원제 수용액의 농도 계산
상기 초음파센서(120)를 이용한 요소수환원제 수용액의 농도측정은 상기 수직진동자(122)를 이용하여 측정하는데, 초음파를 상기 보관탱크(10)의 바닥면과 수평하게 발신한 초음파가 상기 보관탱크(10) 내부의 타측면에 수직입사한 후 되돌아오는 시간을 측정하여 계산한다. 즉 요소수환원제 수용액 내에서의 음속(Cve)을 측정하여 요소수환원제의 농도를 계산한다. 이때, 초음파의 음향임피던스(Z)는 요소수환원제의 밀도(ρ)와 음속(Cve)의 곱에 비례하며, 다음 [수학식 4]의 관계가 성립한다.
Figure 112015117827174-pat00004
도 5는 요소수환원제와 소금물의 농도에 따른 밀도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5를 통해 상기 요소수환원제의 농도(Cc)는 요소수환원제의 밀도에 비례함을 알 수 있으며, 상기 [수학식 4]를 통해 구한 밀도를 다음 [수학식 5]에 대입하면 요소수환원제의 농도를 계산할 수 있다.
Figure 112015117827174-pat00005
여기서, k1은 요소수환원제의 농도에 따라 구한 임피던스(Z)와 음속(Cve)에 대한 상수이다.
한편, 상기한 방법을 통해 보관탱크에 이물질이 혼입되었는지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 요소수환원제의 농도 32.5wt%에서의 음속(Cve)은 약 1610~1650 (m/s)이고, 물에서의 음속은 1490(m/s)이므로, 요소수환원제 농도의 변화폭이 0에서 32.5 wt%라고 가정하면, 이 때의 음속변화의 범위는 1490<Cve<1650 (m/s) 임을 알 수 있다. 따라서 상기 음속의 범위를 벗어나는 경우에는 보관탱크에 요소수환원제 이외의 이물질이 혼입된 것으로 판단할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 초음파센서에 의한 수용액의 농도 측정결과를 보여주는 그래프로서, 요소수환원제 수용액의 높이를 119mm로 일정하게 유지한 상태에서 초음파를 발사하여 요소수환원제의 농도에 따른 초음파센서의 출력을 측정한 결과이다. 이를 통해 요소수환원제의 농도 32.5wt%에서 약 10wt% 까지는 직선성을 유지하는 것을 알 수 있다.
상기 초음파센서의 출력(V)은 초음파가 거리 119mm를 가는데 걸리는 시간에 비례하는 값이다. 요소수환원제의 농도가 높을 때는 액체 밀도가 높으므로 음파 속도가 빨라지게 되고, 119mm를 가는데 걸리는 시간이 짧으므로 초음파센서의 출력(V)값도 작아진다. 반대로, 초음파센서의 출력값이 큰 것은 119mm까지 초음파가 도달하는데 걸리는 시간이 길게 걸린 것으로, 이는 수용액의 밀도 즉, 수용액의 농도가 낮은 것을 의미한다.
3)수직진동자를 이용한 요소수환원제 수용액의 온도 계산
상기 초음파센서(120)의 상기 수직진동자(122)를 이용하여 요소수환원제 수용액의 온도를 측정할 수 있다. 요소수환원제의 농도측정 시 측정한 음속(Cve)과 온도는 다음 [수학식 6]의 관계가 성립한다. 따라서 초음파의 음속(Cve)을 측정하면 요소수환원제의 온도를 [수학식 7]을 통해 구할 수 있다.
Figure 112015117827174-pat00006
Figure 112015117827174-pat00007
한편, 상술한 요소수환원제의 물성치는 측정장치의 특성에 따라 그 값이 변할 수 있으므로, 적용하는 요소수환원제의 물성치 값을 측정장치의 변수를 고려하여 정하는 것으로 한다.
4)전기전도도센서를 이용한 요소수환원제 수용액의 농도 계산
전기전도도센서(140)를 이용한 요소수환원제의 농도측정은 등록특허번호 제10-1263198호에 개시된 방법을 이용하여 측정할 수 있다.
도 7은 요소수환원제 희석물질에 따른 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 측정한 요소수환원제의 농도범위(5~32.5 wt%)에서 전기전도도(Ec)는 200<Ec<1300(μS)임을 할 수 있다.
따라서, 요소수환원제의 농도(Cc)와 전기전도도(Ec)와의 관계는 다음 [수학식 8]로 나타낼 수 있다.
Figure 112015117827174-pat00008
여기서, k2는 요소수환원제의 농도와 전기전도도의 상수이다.
결국, 요소수환원제의 농도 5~32.5 wt%에서 전기전도도의 값은 200<Ec<1300 (μS)이므로, 이 범위를 벗어나는 경우는 요소수환원제의 보관탱크(10)에 이물질이 혼입된 것으로 판단할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템을 설명하는 개략도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 요소수환원제의 농도 측정을 위하여 전기전도도센서(140)에서 전기전도도(Ec)를 측정하는데, 측정한 전기전도도가 요소수환원제의 농도범위 내에 들어오는지 여부를 판단하는 전기전도도판단부(142)로 간다. 판단결과 정상적으로 순수한 물이나 수돗물이 혼입되어 농도가 낮아져 200<Ec<1300 (μS) 범위 내(yes)이면 정보처리부(170)의 농도계산부에서 농도를 계산하고, 다음 단계인 디스플레이부(180)에서 계산된 농도를 표시하며, 계산된 농도신호는 CAN 통신부와 같은 송신부(190)를 통해 엔진제어부(ECU, engine control unit)(30)로 송신된다.
만약 상기 전기전도도판단부(142)에서 요소수환원제 수용액의 전기전도도가 200<Ec<1300 (μS) 범위 이내가 아니라면, 다음 단계인 이물질경고부(143)에서 이물질경고를 하고, 이를 디스플레이부(180)에 표시한다. 이와 같이 전기전도도 값의 범위가 지정한 범위를 벗어나면 요소수환원제 보관탱크에 이물질이 혼입된 것으로 판단할 수 있다.
다음으로, 초음파센서를 통해 요소수환원제의 농도, 온도 및 수위를 측정한다. 요소수환원제의 농도와 온도는 초음파센서의 수직진동자(122)를 이용하여 측정하는데, 상기 수직진동자(122)에서 수신한 음파신호로부터 요소수환원제 용액 내에서의 음속(Cve)를 구한다. 구해진 음속이 1490<Cve<1650 (m/s) 범위 이내이면 상기 정보처리부(170)의 온도계산부에서 상기 [수학식 7]을 이용하여 온도를 계산한다. 측정된 온도는 요소수환원제 농도 계산 시 보정을 위해 상기 정보처리부(170)의 농도계산부로 보낸다. 이어서, 상기 농도계산부에서 농도를 계산한 다음, 디스플레이부(180)에서 계산된 농도와 온도를 표시하고, 그 신호는 상기 송신부(190)를 통해 상기 엔진제어부(30)로 신호를 보낸다.
만약 초음파의 음속판단부(124)에서 요소수환원제 수용액 내에서의 음속이 1490<Cev<1650 (m/s) 범위을 벗어난다면, 다음 단계인 이물질경고부(127)에서 이물질의 혼입을 경고하고, 디스플레이부(190)로 보낸다.
요소수환원제의 수위는 초음파센서의 경사진동자(121)를 이용하여 측정하는데, 상기 경사진동자(121)에서 수신한 음파신호로부터 상기 정보처리부(170)의 수위측정부에서 음속을 구하고, 상기 [수학식 3]에 의해 요소수환원제의 수위를 구한다.
한편, 수위판단부(125)에서는 계산된 수위(H)가 ho 보다 높은지를 판단하게되고, 판단결과 yes 이면 상기 디스플레이부(180)에서 수위(H)를 표시하고, 그 신호는 송신부(190)를 통해 엔진제어부(30)로 신호를 보낸다. 반면, 상기 수위판단부(125)에서 수위(H)가 ho 보다 높지 않다고 판단되면 저수위경고부(126)에서 저수위경고 신호를 보내고, 상기 디스플레이부(180)에서 수위를 표시하고, 그 신호는 송신부(190)를 통해 엔진제어부(30)로 신호를 보낸다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 보관탱크 20: 수용액의 수위
30: 엔지제어부(ECU) 100: 측정장치
110: 본체 111: 구멍
120: 초음파센서 121: 경사진동자
122: 수직진동자 123: 음향분할판
130: 제어부 140: 전기전도도센서
150: 온도센서 160: 체결볼트
170: 정보처리부 180: 디스플레이부
190: 송신부

Claims (21)

  1. 수용액이 보관되는 보관탱크 내부의 일측면에 설치되는 본체;
    상기 본체 내부에 구비되는 초음파센서; 및
    상기 초음파센서와 전기적으로 연결되어 상기 초음파센서의 발신 및 수신을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 초음파센서는 상기 수용액의 수위를 측정하는 경사진동자와, 상기 수용액의 농도 및 온도를 측정하는 수직진동자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사진동자는 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면과 일정각도(θ)를 이루면서 입사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 경사진동자에서 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면까지 도달하는 시간을 이용하여 상기 수용액의 수위를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 본체는 상기 경사진동자에서 발신되는 초음파의 진행이 원활하도록 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직진동자는 발신되는 초음파가 상기 본체가 설치된 상기 보관탱크 내부의 일측면과 맞은편인 타측면에 수직입사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수직진동자에서 발신되는 초음파가 상기 보관탱크 내부의 타측면에 수직입사한 후 되돌아 오는 시간을 이용하여 상기 수용액의 농도 및 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경사진동자와 상기 수직진동자는 음향분할판에 의해 서로 분리되는 것을 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용액은 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수(UREA, CO(NH2)2)환원제 수용액인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 본체 내부에 구비되는 전기전도도센서;를 더 포함하며,
    상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제의 농도를 측정하고, 상기 요소수환원제의 농도를 기준 환원제 농도와 비교하여 상기 요소수환원제가 정상인지 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제 수용액에 침수되어, 상기 요소수환원제의 전기전도도를 측정하는 전극을 포함하여 형성되고,
    상기 전극은, 은 또는 동재질로 형성된 기재의 외부표면에 백금이 도금된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체의 외부면에는 상기 보관탱크의 일측면에 설치되도록 나사선이 형성되어 있으며, 상기 본체의 상기 보관탱크의 외부로 노출되는 부분에는 커넥터가 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수위 및 농도 측정장치.
  12. 삭제
  13. 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수(UREA, CO(NH2)2)환원제 수용액의 수위 및 농도 측정장치;
    상기 측정장치로부터의 정보를 이용하여 상기 요소수환원제 수용액의 수위, 상기 요소소환원제의 농도 및 상기 요소수 환원제 수용액의 온도를 계산하는 정보처리부;
    상기 정보처리부의 결과를 보여주는 디스플레이부; 및
    상기 정보처리부의 결과신호를 엔진제어부(ECU)로 송신하는 송신부;를 포함하는데,
    상기 측정장치:는
    수용액이 보관되는 보관탱크 내부의 일측면에 설치되는 본체;
    상기 본체 내부에 구비되는 초음파센서; 및
    상기 초음파센서와 전기적으로 연결되어 상기 초음파센서의 발신 및 수신을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 초음파센서는 수용액의 수위를 측정하는 경사진동자와, 수용액의 농도 및 온도를 측정하는 수직진동자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 경사진동자는 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면과 일정각도(θ)를 이루면서 입사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 경사진동자에서 발신되는 초음파가 상기 수용액의 수면까지 도달하는 시간을 이용하여 상기 수용액의 수위를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 본체는 상기 경사진동자에서 발신되는 초음파의 진행이 원활하도록 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 수직진동자는 발신되는 초음파가 상기 본체가 설치된 상기 보관탱크 내부의 일측면과 맞은편인 타측면에 수직입사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 수직진동자에서 발신되는 초음파가 상기 보관탱크 내부의 타측면에 수직입사한 후 되돌아 오는 시간을 이용하여 상기 수용액의 농도 및 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경사진동자와 상기 수직진동자는 음향분할판에 의해 서로 분리되는 것을 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 본체 내부에 구비되는 전기전도도센서;를 더 포함하며,
    상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제의 농도를 측정하고, 상기 요소수환원제의 농도를 기준 환원제 농도와 비교하여 상기 요소수환원제가 정상인지 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전기전도도센서는 상기 요소수환원제 수용액에 침수되어, 상기 요소수환원제의 전기전도도를 측정하는 전극을 포함하여 형성되고,
    상기 전극은, 은 또는 동재질로 형성된 기재의 외부표면에 백금이 도금된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 디젤 자동차용 SCR 시스템의 요소수환원제 수용액의 수위 및 농도 측정시스템.
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