KR101838935B1 - 기기의 수위 센싱 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기기의 수위 센싱 시스템에 관한 것으로, 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템으로서, 상기 용기는 접지되고, 상기 용기 또는 상기 용기 내부의 액체는 접지되고, 상기 용기 내부에 잠기는 액체의 최고수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 정전용량 값을 갖는 수위 센서를 구비하여, 상기 용기 내부에 잠기는 액체의 수위에 따라 상기 수위 센서의 정전용량 값의 변화를 감지하여 수위를 센싱하는 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공하여, 접지된 용기 내부에 공기 만을 유전체로 사용할 경우의 정전용량 값보다 큰 정전용량 값을 갖는 수위 센서를 구비함으로써, 용기에 담긴 액체의 높이에 따라 수위 센서의 정전용량 변화를 감지하여 수위를 센싱할 수 있는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공할 수 있다.

Description

기기의 수위 센싱 시스템{WATER LEVEL SENSING SYSTEM OF APPARATUS}
본 발명은 기기의 수위 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 세탁기, 식기세척기, 정수기, 가습기, 비데, 보일러 등 물을 사용하는 기기에서 수위 센서가 사용되고 있으며, 반도체 등의 제조공정에서 화학약품과 같은 액체를 사용하는 기기는 액체의 높이를 제어하기 위한 액체 수위 센서가 사용되고 있는데, 특히 이러한 용액의 저장탱크 등에서 사용되고 있다.
이러한 수위 센서는 다양한 방법으로 측정이 가능하며, 강우량 측정, 강물의 높이 측정과 같은 환경 모니터링 등의 분야에서는 센서 네트워크와 결합된 서비스를 위해서 높은 측정 신뢰도, 소형 및 저가인 센서가 요구되고 있다. 또한, 설치가 용이하고 간단한 센서 태그의 필요성이 증대되고 있다.
최근 물을 사용하는 가전제품의 경우 소비전력의 개선과 함께 물 사용량에 대한 규제로, 저전력화, 물 사용량 저감의 노력이 계속되고 있다. 이를 위해서는 수위의 좀더 정확한 제어가 요구되는데, 세탁기를 예를 들면, 지금까지는 기계식 압력 센서에 의해 수위를 측정하였으나, 물 사용량 저감을 위해 정밀한 수위 측정이 가능한 수위 센서를 필요로 하고 있다.
한편, 종래 수위 센서는 다양한 형태로 상품화되고 있는데, 공기 및 액체의 유전율 차이를 이용하여 액체의 수위를 측정하는 정전용량형 수위 센서, 초음파 발생기 및 센서를 이용한 초음파 수위 센서, 압력 센서를 이용한 수위 변화에 따른 압력 변화를 측정하는 수위 센서 등을 들 수 있다.
그 중 정전용량형 수위 센서는 정밀도, 경제성 측면에서 각광받고 있는데, 그 측정원리는 도 1에 나타낸 바와 같다. 즉, 정전용량형 수위 센서(10)는 내부 전극(11) 및 외부 전극(12)의 2중 원통형(도 1 (a) 참조)으로 구성되어, 내부 전극(11) 및 외부 전극(12) 사이의 액체(l) 높이(h)에 따라 전극 사이의 정전용량(Ch) 변화를 감지함으로써 수위를 센싱하는 것이다. 이때, 정전용량(Ch)의 변화는 하기 식 1로 나타낼 수 있는 정전용량(C)에서, 전극 사이의 공기의 비유전율(εr, 약 '1' 및 액체(l)의 비유전율(εr, 물의 경우 약 '80')의 차이에 의해 정량적으로 감지될 수 있다.
[식 1]
Figure 112011016438143-pat00001
(C: 정전용량, ε0: 진공유전율, εr: 비유전율, L: 원통 높이, a: 내부 전극 반지름, b: 외부 전극 반지름)
또한, 필름 형태 등 판형의 정전용량형 수위 센서(도 1 (b) 참조)를 사용할 경우는 하기 식 2에 의하여 정전용량을 계산할 수 있다.
[식 2]
Figure 112011016438143-pat00002
(C: 정전용량, ε0: 진공유전율, εr: 비유전율, S: 전극 면적, d: 전극 간격 거리)
이러한 정전용량형 수위 센서를 세탁기, 식기세척기 등 액체를 담는 용기가 금속성 재질일 수 있는 기기에 사용하는 경우에는 문제가 있다. 즉, 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 경우, 사용자가 조작하는데 있어 감전의 위험이 있으므로, 일반적으로 정전용량 측정 대상물이 접지되어 있는 경우가 많다. 그러나, 이 경우 용기에 담긴 액체가 유전체가 아닌 접지로 간주되기 때문에, 공기 및 액체의 비유전율 차이를 이용한 정전용량형 수위 센서는 그 정전용량의 측정 자체가 불가능하게 된다.
이에, 정전용량형 수위 센서가 정전용량 측정 대상물이 접지된 상태에서도 적용될 수 있는 새로운 수위 센싱 시스템이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 정전용량형 수위 센서가 정전용량 측정 대상물이 접지된 상태에서도 적용될 수 있는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 측정신뢰도를 높일 수 있는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 설치가 용이하고 경제적인 기기의 수위 센싱 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(1) 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템으로서, 상기 용기 또는 상기 용기 내부의 액체는 접지되고, 상기 용기 내부에 잠기는 액체의 최고수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 값을 갖는 수위 센서를 구비하여, 상기 용기 내부에 잠기는 액체의 수위에 따라 상기 수위 센서의 정전용량 값의 변화를 감지하여 수위를 센싱하는 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공한다.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 수위 센서는, 제1방향으로는 일정 길이를 가지며, 제1방항과 교차되는 제2방향의 적어도 한 쪽 면에는 복수의 돌기과 복수의 홈이 교대로 배열되는 구조로 서로 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 상기 제1전극의 돌기가 상기 제2전극의 홈에 대응되고, 상기 제1전극의 홈에 상기 제2전극의 돌기가 대응되어 서로 맞물리는 형태로 일정간격 이격되어 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 배치되는 정전용량 센서; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 상단부에 배치되어 상기 정전용량 센서에서 발생된 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부;를 구비한 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공한다.
(3) 상기 (2)에 있어서, 상기 수위 센서는, 상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전송하거나, 상기 신호처리부 및 상기 정전용량 센서에 전원을 공급하기 위한 안테나; 및 전원 공급을 위한 태양전지 또는 밧데리;를 구비하는 무선형 구조인 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템 을 제공한다.
(4) 상기 (2)에 있어서, 상기 수위 센서는, 상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전달하기 위한 연결선; 및 전원 공급을 위한 연결선;을 구비하는 유선형인 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템 을 제공한다.
(5) 상기 (2)에 있어서, 상기 수위 센서는, 상기 정전용량 센서가 제1절연필름 및 제2절연필름 사이에 형성되고, 상기 제1절연필름의 뒷면에 접착필름이 형성되어, 상기 용기 내부 일면에 수직으로 부착된 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템 을 제공한다.
(6) 상기 (5)에 있어서, 상기 수위 센서 및 상기 제1절연필름 사이에 쉴드전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 용기 또는 용기 내부의 액체가 접지된 경우, 용기 내부에 잠기는 액체의 최고수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 값을 갖는 수위 센서를 구비함으로써, 용기에 담긴 액체의 높이에 따라 수위 센서의 정전용량 변화를 감지하여 수위를 센싱할 수 있는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 센서의 감도가 비교적 높고, 쉴드전극을 구비하여 측정신뢰도가 우수한 수위 센싱 시스템을 제공할 수 있고, 재료비가 낮고, 플라스틱 등의 필름 및 접착필름을 사용하여 경제적이고, 구조물에 특별한 기구 설계 없이 간편하게 장착할 수 있는 수위 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 정전용량형 수위 센서의 측정 원리를 나타낸 설명도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기기의 수위 센싱 시스템을 설명하는 개략도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센싱 시스템의 정전용량 변화를 설명하기 위한 개략적인 회로도,
도 5 내지 도 7은 본 발명에 사용되는 수위 센서의 일례를 나타낸 배치도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센서를 나타낸 단면도,
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수위 센싱 시스템의 정전용량 변화를 설명하기 위한 개략적인 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 도면부호를 부여하였으며, 방향은 도면을 기준으로 설명하되, 제1방향은 수위 센서의 세로(긴) 방향을 의미하고, 제2방향은 수위 센서의 가로(짧은) 방향의 의미한다. 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기기의 수위 센싱 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 기기의 수위 센싱 시스템(100)은, 액체를 담을 수 있는 용기(110)를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템(100)으로서, 상기 용기(110) 또는 상기 용기(110) 내부의 액체(l)는 접지(111)되고, 상기 용기(110) 잠기는 액체(l)의 최고수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 값을 갖는 수위 센서(120, 도 2 (c) 참조)를 구비하여, 내부에 액체(l)가 존재하지 않아 공기 만을 유전체로 사용할 경우(120', 도 2 (b) 참조) 또는 내부에 액체(l)가 존재하더라도 그 수위가 낮은 경우보다 충분히 큰 정전용량 값을 갖는 수위 센서(120, 도 2 (c) 참조)를 구비하여, 상기 용기(110) 내부에 잠기는 액체(l)의 수위에 따라 상기 수위 센서(120)의 정전용량 값의 변화를 감지하여 수위를 센싱하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 본 발명에 따른 수위 센싱 시스템(100)은, 물과 같은 액체(l)를 사용하는 기기에서의 수위 센싱을 정전용량(C) 차이에 의해 수행되도록 하는 경우에 있어, 사용자의 조작시 감전 위험을 방지하기 위해 액체(l)를 담을 수 있는 용기(110)를 접지(111)할 때에도 수위에 따른 정전용량(C) 변화를 감지할 수 있도록 하는 것이다.
즉, 일반적으로 정전용량형 수위 센서는 전극 사이의 유전체를 공기 및 액체만을 이용하여 그 정전용량 차이로 수위를 감지하게 되나, 본 발명에 따르면, 상기 수위 센서의 정전용량을 충분히 크게, 즉, 용기(110) 내부에 최고수위의 액체(l)가 존재하기 직전까지도 0보다 큰 정전용량 값을 갖도록 설계함으로써, 액체(l) 수위가 높아질수록 높아진 수위 만큼 정전용량(C) 값이 감소하게 되어 그 정전용량 값의 변화를 감지함으로써 수위를 검출할 수 있게 된다. 이때, 기기의 용기(110) 또는 용기(110) 내부의 액체(l)가 접지(111)되어 있지 않은 경우이거나 접지(111)가 미약하게 처리된 경우라면, 액체(l)를 임의로 접지(111)에 연결시키는 전극을 추가함으로써 동일한 원리에 의해 정전용량(C) 변화를 감지할 수 있다.
여기서, 상기 수위 센서의 정전용량(C) 값을 미리 충분히 크게 설계하는 것은, 예를 들면 도 2 (c)에 도시한 바와 같이, 공기보다 큰 비유전율(εr)을 갖는 유전체(121)를 상기 수위 센서(120)를 구성하는 전극(122a, 122b) 사이에 충진시켜 둠으로써 가능할 수 있고, 상기 전극(122a, 122b)에 돌기를 형성하여 전극 면적을 크게 하거나, 상기 전극(122a, 122b) 사이의 간격을 조절함으로써 가능할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센싱 시스템의 정전용량 변화를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다. 여기서, 도 3 (a)는 이해의 편의를 위해 모식적으로 나타내었다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 수위 센싱 시스템(100)은 액체(l)가 없는 경우에도 상기 수위 센서(120)는 일정 크기의 정전용량(C) 값을 갖도록 설계되어 있다.(도 3 (b) 참조) 이러한 일정 크기의 정전용량(C) 값은 예를 들면, 도 2 (c)와 같이 상기 수위 센서 전극(122a, 122b) 사이에 공기의 비유전율(εr)보다 큰 비유전율(εr)을 갖는 유전체(121)를 충진해 둠으로써, 또는, 전극(122)에 돌기를 형성하여 전극 면적을 크게 하거나, 상기 전극(122a, 122b) 사이의 간격을 조절함으로써, 도 4에 나타낸 바와 같이 제1방향을 기준으로 복수의 커패시턴스가 병렬로 연결된 회로와 등가로 표현할 수 있게 된다. 이때, 수위의 증가로 액체(l)에 둘러싸인 전극(122)은 접지(111) 및 커패시턴스와 결합을 하게 되고, 이 부분의 정전용량(C)은 '0'에 가깝게 되어, 수위가 증가된 부분에 해당하는 높이(h) 만큼의 정전용량(C)이 감소하여 전체 정전용량(C)이 감소하게 되는 원리를 이용하여, 수위 센싱이 가능하도록 하는 것이다. 따라서, 정전용량형 수위 센서의 경우, 용기(110) 또는 용기(110) 내부의 액체(l)가 접지(111)됨으로써 정전용량(C) 측정 대상물인 액체(l)가 접지(111)되어 정전용량(C) 측정이 불가한 문제를 극복할 수 있게 된다. 한편, 수위가 상기 수위 센서의 최고 높이까지 이를 경우는 도 3 (c)에 도시된 등가회로와 같이 정전용량 값이 '0'에 가깝게 된다.
상기 원리를 더욱 자세히 설명하면, 용기(110)에 액체(l)가 존재하지 않는 경우에는 상기 수위 센서의 정전용량 값(C)은 식 2에 의해 계산될 수 있다. 여기서, 공기의 비유전율(εr)은 약 '1'의 값을 가지는 것으로 알려져 있고, 본 발명에 따른 수위 센서(120)의 경우는 미리 충분히 큰 정전용량(C)을 갖게 설계되어 있다. 이는 도 4에 나타낸 바와 같이 복수의 커패시턴스가 병렬 연결된 등가회로로 표현할 수 있다.
또한, 액체(l)가 존재하는 경우에도 식 2에 의해 정전용량 값(C)을 계산할 수 있다. 액체(l)의 비유전율(εr)은 물을 예로 들면, 약 '80'으로 알려져 있다. 그러나, 액체(l)는 접지(111)에 연결되어 전체 정전용량(C) 값에서 그 비유전율(εr)의 의미는 없고, 상기 복수의 커패시턴스 중 일부 커패시턴스를 '0'에 가깝게 하여 전체 정전용량(C) 값이 감소되도록 하는 역할을 하게 된다.
따라서, 액체(l)의 수위가 점점 높아질수록 상기 수위 센서(120)를 통한 정전용량 값(C)은 감소하게 되며, 액체(l)의 수위에 반비례하여 얻어지는 정전용량(C) 값을 읽어 신호처리부(123)를 통해 액체(l)의 수위를 파악할 수 있게 된다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 사용되는 수위 센서의 일례를 나타낸 배치도이다. 도 5 내지 도 7은 수위 센서(120)의 전극(122), 신호처리부(123), 태양전지(126)의 위치나 배치구조를 설명하기 위하여 편의상 도시한 것으로서, 완성된 수위 센서(120)의 전체 구조를 나타낸 것은 아니며, 완성된 구조에서 제2절연필름(127)을 도시하지 않고 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센서(120)는, 제1절연필름(124) 상에 정전용량 센서를 구성하는 제1전극(122a)과 제2전극(122b), 신호처리부(123), 안테나(125) 및 태양전지(126)를 구비할 수 있다. 추가적으로 밧데리(건전지)(128)가 배치될 수도 있다.
상기 제1전극(122a) 및 제2전극(122b)은 제1방향으로는 일정 길이를 갖고, 제1방향과 교차되는 제2방향의 적어도 한 쪽 면에는 복수의 돌기와 복수의 홈이 교대로 배열되는 구조로 서로 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1전극(122a)의 돌기가 상기 제2전극(122b)의 홈에 대응되고, 상기 제1전극(122a)의 홈에 상기 제2전극(122b)의 돌기가 대응되어 서로 맞물리는 형태로 일정간격 이격되어 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)이 배치될 수 있다.
일례를 들면, 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)은 제2방향으로 돌출된 형태를 갖는 4각형(또는 다각형)의 복수개의 톱니(돌기)들이 일정간격으로 배치된 형태로, 제1방향으로 일정거리를 유지하여 배치될 수 있으며, 상기 제2전극(122b)의 톱니들과 상기 제1전극(122a)의 톱니들이 서로 맞물리는 형태로 배치될 수 있고, 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)이 일정간격 이격되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)의 일단이 전극패턴을 통하여 상기 신호처리부(123)에 전기적으로 연결되게 된다. 상기 신호처리부(123)는 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)의 상단부에 배치되어, 상기 정전용량 센서를 구성하는 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)에서 발생된 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하게 된다.
상기 신호처리부(123)의 배치구조는 도 5와 같이 일자형으로 배치될 수 있고, 원형 배치구조를 가질 수도 있으며, 'ㄱ'자 또는 'ㄴ'자 등 다양한 배치구조를 가질 수 있다. 이는 상기 신호처리부(123)를 구성하는 칩이나 소자들의 형태나 크기 또는 배치구조에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것이다.
또한, 상기 신호처리부(123)의 상단부에 안테나(125)가 배치될 수 있고, 상기 안테나(125)의 측면에 밧데리(건전지)(128)가 배치될 수 있으며, 상기 안테나(125) 및 상기 밧데리(128)의 상단부에 태양전지(126)가 배치될 수 있다.
상기 안테나(125)는 상기 신호처리부(123), 상기 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b)에 일반적인 RF 태그와 같이 전원을 공급하거나, 상기 신호처리부(123)의 검출신호를 외부로 전송하기 위한 것이다. 상기 안테나(125)의 형태는 도 5와 같이, 속이 빈 정사각형 형태를 가질 수도 있고, 직사각형, 원형, 직선형 등 다양한 형태로 배치될 수도 있다.
한편, 도 5는 태양전지(126)가 구비되는 경우의 수위 센서(120)를 나타내고 있으나, 본 발명에 따른 수위 센서(120)는 태양전지(126)를 구비하지 않는 무선형(wireless type) 또는 유선형(wire type)으로 제조될 수 있다.
태양전지(126)를 구비하는 무선형의 경우는 도 5에 설명한 바 있고, 태양전지(126)를 구비하지 않는 무선형 수위 센서(220)의 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 정전용량 센서를 구성하는 제1전극(222a) 및 제2전극(222b), 신호처리부(223), 통신을 위한 안테나(225) 및 밧데리(건전지)(228)를 구비할 수 있으며, 배치구조는 도 5에서 설명한 바와 동일 또는 유사하다.
또한, 다른 예로 태양전지(126)를 구비하지 않는 무선형 수위 센서(220)의 경우, 밧데리(건전지)(228)를 구비하지 않는 수동형(passive type) 수위 센서(220)일 수 있다.
또한, 태양전지(126)를 구비하지 않는 유선형 수위 센서의 경우(320)에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 정전용량 센서를 구성하는 제1전극(322a)과 제2전극(322b) 및 신호처리부(323)를 구비할 수 있으며, 상기 신호처리부(323)의 신호를 외부로 전송하거나 전원 공급을 위한 연결선(329)들을 구비할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센서를 나타낸 단면도이다. 도 8 및 도 2를 참조하면, 상기 수위 센서(120)는 제1전극(122a) 및 제2전극(122b)이 제1절연필름(124) 및 제2절연필름(127) 사이에 형성되고, 상기 제1절연필름(124)의 뒷면에 접착필름(129-1)이 형성되어, 상기 용기(110) 내부 일면에 수직으로 부착될 수 있다.
상기 제1절연필름(124) 및 상기 제2절연필름(127)은 상기 제1전극(122a) 및 제2전극(122b)의 액체(l)와의 절연을 위해 코팅되는 것으로 PET(polyethylene terephthalate) 또는 PI(polyimide)일 수 있다.
또한, 상기 접착필름(129-1)은 양면접착제 형태로 접착물질막을 형성함으로써, 상기 수위 센서(120)를 상기 용기(110) 내부의 일면 등 특정 부위에 접착 또는 고정시킬 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수위 센싱 시스템의 정전용량 변화를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다. 여기서, 도 9 (a)는 이해의 편의를 위해 모식적으로 나타내었다.
도 9, 도 10 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수위 센싱 시스템(100)은 상기 전극(제1전극(122a) 및 제2전극(122b))과 상기 제1절연필름(124) 사이에 쉴드전극(129-2)이 더 형성될 수 있다. 이러한 쉴드전극(129-2)은 제1전극(122a) 및 상기 제2전극(122b) 면보다 더 넓은 면을 구비하여 정전용량(C)을 보다 안정적으로 측정할 수 있도록 한다.
상기 도 3에서 설명한 바와 마찬가지로, 쉴드전극(129-2)이 더 형성된 수위 센서(120)를 구비한 수위 센싱 시스템(100)은 액체(l)가 없는 경우에도 상기 수위 센서(120)는 충분히 큰 일정 크기의 정전용량(C) 값을 갖도록 설계되어 있다.(도 9 (b) 참조) 이러한 일정 크기의 정전용량(C) 값은 예를 들면, 상기 수위 센서 전극(122) 사이에 공기의 비유전율(εr)보다 큰 비유전율(εr)을 갖는 유전체를 충진해 둠으로써, 또는, 전극(122)에 돌기를 형성하여 전극 면적을 크게 하거나, 상기 전극(122a, 122b) 사이의 간격을 조절함으로써, 제1방향을 기준으로 복수의 커패시턴스가 병렬로 연결된 회로와 등가로 표현할 수 있게 된다. 이때, 수위의 증가로 액체(l)에 둘러싸인 전극(122)은 접지(111) 및 커패시턴스와 결합을 하게 되고, 이 부분의 정전용량(C)은 '0'에 가깝게 되어, 수위가 증가된 부분에 해당하는 높이(h) 만큼의 정전용량(C)이 감소하여 전체 정전용량(C)이 감소하게 되는 원리를 이용하여, 수위 센싱이 가능하도록 하는 것이다. 따라서, 정전용량형 수위 센서의 경우, 용기(110) 또는 용기(110) 내부의 액체(l)가 접지(111)됨으로써 정전용량(C) 측정 대상물인 액체(l)가 접지(111)되어 정전용량(C) 측정이 불가한 문제를 극복할 수 있게 된다. 한편, 수위가 상기 수위 센서의 최고 높이까지 이를 경우는 도 9 (c)에 도시된 등가회로와 같이 정전용량 값이 '0'에 가깝게 된다.
또한, 도 4에서 설명한 바와 마찬가지로, 용기(110)에 액체(l)가 존재하지 않는 경우에는 상기 수위 센서의 정전용량 값(C)은 식 2에 의해 계산될 수 있다. 여기서, 공기의 비유전율(εr)은 약 '1'의 값을 가지는 것으로 알려져 있고, 본 발명에 따른 수위 센서(120)의 경우는 충분히 큰 정전용량을 갖게 된다. 이는 도 10에 나타낸 바와 같이 복수의 커패시턴스가 병렬 연결된 것과 등가로 볼 수 있다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
100: 수위 센싱 시스템 110: 용기
111: 접지 120, 220, 320: 수위 센서
121: 유전체 122a, 222a, 322a: 제1전극
122b, 222b, 322b: 제2전극 123, 223, 323: 신호처리부
124: 제1절연필름 125, 225: 안테나
126: 태양전지 127: 제2절연필름
128, 228: 밧데리(건전지) 129-1: 접착필름
129-2: 쉴드전극 329: 연결선
l: 액체

Claims (6)

  1. 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템으로서,
    상기 용기 또는 상기 용기 내부의 액체는 접지되고,
    상기 용기에 수용된 액체의 수위방향인 제1방향으로 일정 길이를 갖고 연속적으로 배향된 제1전극 및 제2전극을 정전용량 측정을 위한 두개의 전극으로 하고, 상기 용기의 내부에 잠기는 액체의 최고수위 직전까지도 정전용량이 0보다 큰 값을 갖도록 설계된 수위 센서를 구비하며,
    상기 수위 센서는 상기 제1방향을 기준으로 복수의 커패시턴스가 병렬로 연결된 회로를 등가로 구성하여, 수위 증가로 액체에 둘러싸여 상기 접지 및 커패시턴스와 결합되는 상기 제1전극 및 제2전극 부분에서의 정전용량 감소량을 감지하여 상기 제1 방향으로의 액체 수위를 연속적으로 센싱하는 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수위 센서는,
    상기 제1방향으로는 일정 길이를 가지며, 제1방항과 교차되는 제2방향의 적어도 한 쪽 면에는 복수의 돌기과 복수의 홈이 교대로 배열되는 구조로 서로 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 상기 제1전극의 돌기가 상기 제2전극의 홈에 대응되고, 상기 제1전극의 홈에 상기 제2전극의 돌기가 대응되어 서로 맞물리는 형태로 일정간격 이격되어 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 배치되는 정전용량 센서; 및
    상기 제1전극 및 상기 제2전극의 상단부에 배치되어 상기 정전용량 센서에서 발생된 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부;
    를 구비한 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수위 센서는,
    상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전송하거나, 상기 신호처리부 및 상기 정전용량 센서에 전원을 공급하기 위한 안테나; 및
    전원 공급을 위한 태양전지 또는 밧데리;
    를 구비하는 무선형 구조인 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수위 센서는,
    상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전달하기 위한 연결선; 및
    전원 공급을 위한 연결선;
    을 구비하는 유선형인 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수위 센서는, 상기 정전용량 센서가 제1절연필름 및 제2절연필름 사이에 형성되고, 상기 제1절연필름의 뒷면에 접착필름이 형성되어, 상기 용기 내부 일면에 수직으로 부착된 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수위 센서 및 상기 제1절연필름 사이에 쉴드전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 기기의 수위 센싱 시스템.
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