KR101927673B1 - 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치에 대한 것으로, 수신파가 간섭 또는 중첩되는 범위인 데드존(Dead zone)을 최소화하고, 정밀한 측정을 할 수 있는 수위 측정용 초음파 센서를 구비한 것이다.
이를 위해, 내측에 수용부를 구비하는 케이스(10)와 상기 케이스(10)의 내측에 위치하며, 수위 측정용 초음파를 발진시켜 송신하고, 반사되어 돌아오는 반사파를 수신하는 초음파송수신부(20) 및 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 위치하고, 수면에 난반사되는 초음파를 수신하는 초음파수신부(30)로 구성되는 수위 측정 장치를 제공하게 된다.

Description

데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치{A WATER LEVEL MEASUREMENT WITH DEAD-ZONE SENSOR}

본 발명은 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치에 대한 것으로, 초음파를 이용하는 센서의 수신파가 자체의 발진과 중첩되는 범위인 데드존(Dead zone)을 최소화하기 위한 센서를 구비하고, 보다 정밀한 측정을 할 수 있는 수위 측정장치에 대한 것이다.

하천 또는 저수시설의 수위를 측정하기 위해 다양한 기술들이 제안되고 있고, 접촉식 및 비접촉식으로 그 기술이 구분되어지고 있다.

이때, 설치장소의 제약 등에 따라 비접촉식 기술이 각광받고 있으며, 대표적인 기술로는 초음파 센서를 이용한 감지 방법이 주를 이루고 있다.

이와 같은 초음파 센서는 세라믹에 고주파 전압을 인가하여 진동을 일으키고 그 결과로 공기 중에 음파가 형성되어 대상물에 전달 이된 후 반사파가 세라믹 센서에 되돌아 와서 진동을 일으킴으로서 발진부터 반사파에 의한 진동이 발생하기까지의 시간차를 활용하여 대상물의 거리를 측정하게 되는 것이다.

그러나 이러한 과정에서 최초의 발진이 완전히 정지하기 전에 반사파가 돌아오게 되면 세라믹 센서는 자체 발진과 반사파에 의한 발진을 구분하지 못하게 되어 측정 한계가 존재하게 되고, 이러한 구간을 데드존(Deadzone)으로 칭하고 있다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해, 본 출원인 또한 대한민국 등록특허 제10-1456981호(하수관로 수위계측 모니터링 시스템, 2014년 10월 27일 등록)에서 하수관로의 맨홀 천장에 설치되어 맨홀 내의 수위를 비접촉 방식에 의해 측정하는 제1 수위측정장치와, 위험 수위 구간을 설정하여 접촉 방식에 의해 측정하는 제2 수위측정장치로 이루어진 수위 측정부; 상기 수위 측정부의 제1 수위측정장치 및 제2 수위측정장치를 제어하거나, 이들로부터 측정된 데이터를 관리서버로 실시간 전송하는 통합 신호 처리 장치; 상기 통합 신호 처리 장치부로부터 전송받은 데이터를 변환 및 분석 처리하는 관리서버; 및 상기 관리서버에서 처리된 데이터를 판독하여 하수관로의 상태를 실시간 모니터링 하는 모니터링부를 포함하는 기술을 제안한 바 있다.

상기와 같은 기술을 제안한 바 있으나, 다양한 장소에서 다양한 종류의 수위를 측정해야 하는 설치현장의 특성상 보다 정밀한 측정값이 요구되고 있고, 이에 따라 수신 전용의 세라믹 센서를 더 추가하는 기술이 제안되고 있으나, 수신부의 수신효율을 높이기 위해, 발진부와 최대한 근접하게 수신부를 배치하게 되어, 발진부와 수신부간에 동조현상이 발생되어 오류가 발생하게 되어 측정값의 정밀도가 저하되는 문제점이 발생하고 있어, 이러한 문제점을 극복하는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록실용 제20-0394756호(초음파 센서 시스템의 노이즈 감소를 위한 차폐장치, 2005년 08월 29일 등록) 대한민국 등록실용 제20-0412601호(초음파 노이즈 차폐장치, 2006년 03월 22일 등록)

상기와 같은 문제점을 극복하기 위해, 본 발명은 초음파 센서를 이용하여 수위를 측정할 때, 데드존(Deadzone)을 최소화 할 수 있도록 하는 수위 측정용 초음파 센서를 포함하는 수위 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또다른 목적은 복수개의 센서를 적용하여 송수신 작업을 수행할 때, 근접한 센서에 미치는 영향을 최소화하여 정밀한 값을 측정할 수 있도록 하는 수위 측정용 초음파 센서를 구비하는 수위 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 초음파를 이용하여 수위를 측정할 때, 데드존(Deadzone)을 최소화 할 수 있는 초음파 센서를 구비하는 수위 측정 장치에 있어서, 컨트롤러(A);와 상기 컨트롤러(A)에 연결되고, 수위를 측정하기 위해 내측에 수용부를 구비하는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내측에 위치하며, 수위 측정용 초음파를 발진시켜 송신하고, 반사되어 돌아오는 반사를 수신하는 초음파송수신부(20) 및 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 위치하고, 수면에 난반사되는 초음파를 수신하는 초음파수신부(30)로 구성되는 센서유닛(B)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수위 측정 장치를 제공하게 된다.

또한, 상기 케이스(10)의 일측 단부에는 수위감지센서(40)가 더 구비되고, 상기 케이스(10)는 하단부 일부분이 내측으로 함몰되는 형상의 집중홈(11)이 형성되고, 상기 집중홈(11)의 양측에 날개부(12)가 각각 형성되되, 집중홈(11)의 일측단부와 케이스(10)의 하단부 일측 단부를 연결하는 형태로 형성되어, 집중홈(11) 측으로 진행할수록 양측 날개부(12)의 간격이 좁아지도록 경사지게 형성되고, 내측에 형성된 경사면에 의해 수신되는 초음파가 집중홈(11) 쪽으로 집중되어 수신될 수 있도록 하며, 상기 집중홈(11)은 초음파송수신부(20)가 위치하는 평탄홈(11a)과 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 위치한 초음파수신부(30)가 위치하는 경사홈(11b)으로 이루어지고, 상기 평탄홈(11a)은 수평상태를 유지하게 되고, 상기 평탄홈(11a)의 단부에 연장되어 형성되는 경사홈(11b)은 타측 단부가 하측방향으로 경사지도록 배치되어 형성된다.

또한, 초음파송수신부(20)는 초음파송수신센서(21)와 상기 초음파송수신센서(21)의 외부에 결합되는 차폐부재(22)와 상기 초음파송수신센서(21)와 차폐부재(22)의 외부에 위치하는 방진부재(23) 및 초음파송수신센서(21)에 결선되는 케이블의 외피에 결합되는 차폐피복(24)으로 구성되고, 상기 차폐부재(22)는 금속메쉬망 또는 금속박막으로 이루어지며, 초음파송수신센서(21)의 상단부 및 측면부에 밀착 결합되며, 하단부는 개방상태를 유지하도록 한다.

상기 센서유닛(B)의 케이스(10)의 일측에는 초음파송수신부(20) 및 초음파수신부(30)의 하단부에 융착되는 이물질을 제거하기 위해 초음파송수신부(20) 및 초음파수신부(30)측을 향하도록 하는 에어노즐(61)을 구비하는 에어공급부(60)가 더 구비된다.

또한, 상기 센서유닛(B)의 케이스(10)의 일측에는 초음파송수신부(20) 및 초음파수신부(30)의 하단부에 융착되는 이물질을 제거하기 위해 초음파송수신부(20) 및 초음파수신부(30)측을 향하도록 하는 에어노즐(61)을 구비하는 에어공급부(60)가 더 구비되며, 상기 에어공급부(60)는 외부로부터 공급되는 고압의 에어 또는 세척액을 포함하는 액상 물질을 분사할 수 있는 것을 특징으로 하는 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치를 제공함으로써 본 발명의 목적을 보다 잘 달성할 수 있는 것이다.

본 발명의 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치를 제공함으로써 수위 측정 시 발생되는 데드존(Deadzone)을 최소화 할 수 있고, 복수개의 센서간에 간섭을 최소화 하여 보다 정밀한 측정값을 획득할 수 있는 수위 측정 장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 부분절개 저면 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 동작 및 구조를 설명하기 위한 내부구성도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 또다른 실시예를 도시하기 위한 예시도이다.

이하에서 당업자가 본 발명의 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치를 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 구성도이다.

도 1을 참조하여 본 발명의 데드존 센서를 구비한 수위 측정용 장치에 대하여 상세하게 설명하면, 컨트롤러(A), 센서유닛(B)으로 구성된다.

상기 컨트롤러(A)는 센서유닛(B)으로부터 입력되는 데이터를 저장하고 처리하며, 센서유닛(B)과 센서유닛(B)의 외부에 별도로 구비되어 세정액을 공급하는 세정유닛 등의 동작을 제어하게 된다.

상기 컨트롤러(A)와 연결되는 센서유닛(B)은 데드존(Deadzone)을 최소화 하여 보다 정밀한 센싱이 가능하도록 하고, 초음파를 이용하여 비접촉식으로 수위를 측정하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치의 센서유닛(2)에 대하여 이하에서 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 부분절개 저면 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 측면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 센서유닛(B)의 동작 및 구조를 설명하기 위한 내부구성도이다.

도 6과 도 7은 본 발명의 또다른 실시예를 도시하기 위한 예시도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명하면, 본 발명에 따른 센서유닛(B)은 케이스(10), 상기 케이스(10)의 내측에 위치하는 초음파송수신부(20), 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 위치하는 초음파수신부(30)로 구성된다.

또한, 상기 케이스(10)의 일측 단부에는 수위감지센서(40)가 더 구비된다.

또한, 상기 케이스(10)의 상측에는 설치 현장에 구비되는 설치부재에 결합하기 위한 브라켓(50)이 더 구비된다.

상기 케이스(10)는 내측에 초음파송수신부(20)와 초음파수신부(30)를 내포하도록 형성되며, 하측 외부에는 발신 초음파 및 수신 초음파를 집중해주도록 형성된다.

이때, 상기와 같이 초음파를 집중해주기 위해 하단부 내측으로 함몰되는 형상으로 형성된다.

보다 구체적으로는 하단부 일부분이 내측으로 함몰되는 형상의 집중홈(11)이 형성되고, 상기 집중홈(11)의 양측에 날개부(12)가 각각 형성된다.

상기와 같은 날개부(12)는 집중홈(11)의 일측단부와 케이스(10) 하단부의 일측 단부를 연결하는 형태로 형성되고, 집중홈(11) 측으로 진행할 수록 폭이 좁아지도록 경사지게 형성된다.

상기와 같은 경사면은 초음파송수신부(20)로부터 발진된 초음파가 수면에 반사되어 초음파수신부(30)에 전달될 때, 난반사에 의해 산란된 초음파가 경사면에 반사되어 초음파수신부(30)로 집중되도록 하는 것이다.

또한, 상기 집중홈(11)은 평탄홈(11a)과 경사홈(11b)으로 구성되는데, 초음파송수신부(20)가 위치하는 평탄홈(11a)과 상기 초음파송수신부(20)로부터 발진된 초음파가 인식되는 초음파수신부(30)가 위치하는 경사홈(11b)으로 이루어진다.

보다 상세하게 설명하면, 초음파송수신부(20)가 위치하는 평탄홈(11a)은 수평상태를 유지하게 되고, 상기 평탄홈(11a)의 단부에 연장되어 형성되는 경사홈(11b)은 타측 단부가 하측방향으로 경사지도록 배치되어 형성된다.

이는 초음파 수신부(30)가 초음파송수신부(20)와 소정의 각도를 유지하며 배치되도록 하기 위한 것이다.

이때, 상기와 같이 초음파송수신부(20)와 초음파수신부(30)를 경사지도록 배치하는 것은 수면 파장 또는 파도 및 수면에 위치하는 부유물에 의해 초음파가 난반사 될 경우 이를 보다 효율적으로 감지하기 위한 것이며, 또한, 초음파를 수신할 수 있는 수신면을 초음파송수신부(20)에 보다 가깝게 밀착시키기 위한 것이다.

상기와 같은 케이스(10)의 측면 일측에 위치하는 커넥터(13)는 외부 제어장치와 결선하기 위한 케이블이 결합되는 것으로 통상의 너트를 이용한 체결방법이 적용되거나, 강제끼움 형식이 적용되기도 한다.

상기 케이스(10)의 내측에 배치되는 초음파송수신부(20)는 초음파송수신센서(21)와 상기 초음파송수신센서(21)의 외부에 결합되는 차폐부재(22)와 상기 초음파송수신센서(21)와 차폐부재(22)의 외부에 위치하는 방진부재(23) 및 초음파송수신센서(21)에 결선되는 케이블의 외피에 결합되는 차폐피복(24)으로 구성된다.

이때, 상기 차폐부재(22)는 금속메쉬망 또는 금속박막으로 이루어지며, 초음파송수신센서(21)의 상단부 및 측면부에 밀착 결합되며, 하단부는 개방상태를 유지하도록 한다.

여기서, 상기 차폐부재(22)의 재질은 차폐효과를 나타낼 수 있는 소재면 무엇이든 가능하며, 구리(Cu)가 대표적인 소재이나, 이를 한정하지는 않는다.

또한, 상기 방진부재(23)는 외부요인에 의해, 초음파송수신센서(21)에 진동이 전달되는 것을 방지하도록 한다.

이때, 상기 방진부재(23)는 코르크 등과 같이 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 진동을 저감시키는 재질이면 무엇이든 가능하다.

이와 같은 방진부재(23) 또한 초음파송수신센서(21)의 하단부만을 개방한 형태로 적용되도록 한다.

상기와 같이 구성된 초음파송수신부(20)와 근접하게 초음파수신부(30)가 추가로 구비되는데, 상기 초음파수신부(30)는 초음파송수신부(20)에서 발진된 초음파가 수면에 반사된 후 다시 초음파송수신부(20)에 전달되어 수위를 측정할 때, 보다 정밀한 측정을 위해 구비되는 것으로, 수면의 부유물에 따라 초음파가 난반사 되거나, 반사파가 굴절되는 등 다양한 오차요인이 존재하여, 이를 보상하기 위한 것이다.

또한, 초음파가 발진되어 송신된 후 수면 등에 반사되어 수신되는 구간이 짧아 송신과 수신되는 초음파간에 중첩 또는 간섭을 통하여 측정이 불가능한 데드존(Deadzone) 구간을 최소화하기 위한 것이다.

이를 위해, 초음파수신부(30)의 하단부에 위치한 수신면은 초음파송수신부(20)의 수신면과 일정한 각도(a°)를 유지하도록 설치하게 된다.

이는 초음파송수신부(20)에서 발진된 초음파 중 수면에 난반사된 초음파를 감지하기 위한 것이다.

보다 상세하게 설명하면, 초음파송수신부(20)에서 수위 측정을 위한 초음파의 발진 및 수신을 통하여 수위를 측정하고, 표면 난반사에 의한 수신을 통하여 수위를 측정하여 오차를 보상하는 것으로 1차 초음파송수신부(20)에서 측정한 측정값과, 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 설치된 초음파수신부(30)에서 2차로 측정한 값의 비교에 의해 오차를 극복하게 된다.

수면에 수직으로 설치된 1차 초음파송수신부(20) 센서에서 발진되는 초음파는 수직 방향에 대하여 일정 각도(5~10도 내외)를 이루어 발진되며, 수위 측정 거리가 짧아 송신과 수신되는 초음파간에 간섭이 발생하는 구간에서는 별도의 초음파수신부(30) 에서 수면에 난반사된 초음파를 수신하여 측정하게 되는 것이다.

또한, 케이스(10)의 일측 단부에 형성되는 날개부(12)에는 수위감지센서(40)가 더 구비되는데, 상기 수위감지센서(40)는 수위가 급격하게 불어나서 센서에 물이 직접 접촉될 경우 별도의 초음파수신부(30) 에서도 측정이 불가능하게 되므로 측정 오류를 방지하기 위하여 이를 감지하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 수위감지센서(40)는 정전용량센서가 적용되도록 하나, 이를 한정하는 것은 아니며, 접촉에 의해 수위를 감지할 수 있는 수단이면 무엇이든 가능하다.

또한, 본 발명의 또다른 실시예에 따라, 케이스(10)의 일측에는 초음파송수신부(20)와 초음파수신부(30)의 하단부에 융착되는 이물질을 제거하기 위한 에어공급부(60)가 더 구비된다.

여기서, 상기 에어공급부(60)는 외부장치로부터 공급되는 에어를 초음파송수신부(20)와 초음파수신부(30)에 공급할 수 있도록 에어노즐(61)이 형성되며, 상기 에어노즐(61)에 의해, 고압의 에어를 초음파송수신부(20)와 초음파수신부(30)에 각각 또는 동시에 공급하여 이물질을 제거하게 되는 것이다.

또한, 상기 에어공급부(60)는 현장 상황에 따라 세척액을 포함하는 액상 물질을 분사할 수도 있다.

이와 같은 구성에 의해 본 발명의 데드존 센서를 구비하는 수위 측정장치를 완성할 수 있는 것이다.

10 : 케이스 11 : 집중홈
12 : 날개부 13 : 커넥터
20 : 초음파송수신부 21 : 초음파송수신센서
22 : 차폐부재 23 : 방진부재
24 : 차폐피복 30 : 초음파수신부
40 : 수위감지센서 50 : 브라켓
60 : 에어공급부 61 : 에어노즐

Claims (4)

1. 초음파를 이용하여 수위를 측정할 때, 데드존(Deadzone)을 최소화 할 수 있는 초음파 센서를 구비하는 수위 측정 장치에 있어서,
   컨트롤러;와
   상기 컨트롤러에 연결되고, 수위를 측정하기 위해 내측에 수용부를 구비하는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내측에 위치하며, 수위 측정용 초음파를 발진시켜 송신하고, 반사되어 돌아오는 반사를 수신하는 초음파송수신부(20) 및 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 위치하고, 수면에 난반사되는 초음파를 수신하는 초음파수신부(30)로 구성되는 센서유닛;으로 구성되되,
   상기 케이스(10)는 하단부 일부분이 내측으로 함몰되는 형상의 집중홈(11)과, 상기 집중홈(11) 측으로 진행할수록 간격이 좁아지도록 경사지게 형성시켜 난반사에 의해 산란된 초음파가 경사면에 반사되어 초음파수신부(30)로 집중되게 하는 날개부(12)를 포함하고,
   상기 집중홈(11)은 초음파송수신부(20)가 위치하는 평탄홈(11a)과 상기 초음파송수신부(20)와 근접하게 위치한 초음파수신부(30)가 위치하는 경사홈(11b)으로 이루어져 초음파수신부가 초음파 송수신부에 상대적으로 경사지게 설치되고,
   상기 초음파송수신부(20)는 초음파송수신센서(21)와 상기 초음파송수신센서(21)의 외부에 차폐부재(22)가 결합되는 것을 특징으로 하는 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 케이스(10)의 일측 단부에는 수위감지센서(40)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치.
   
3. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서유닛의 케이스(10)의 일측에는 초음파송수신부(20) 및 초음파수신부(30)의 하단부에 융착되는 이물질을 제거하기 위해 초음파송수신부(20) 및 초음파수신부(30)측을 향하도록 하는 에어노즐(61)을 구비하는 에어공급부(60)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 에어공급부(60)는 외부에서 공급되는 고압의 에어 또는 세척액을 포함하는 액상 물질을 분사할 수 있는 것을 특징으로 하는 데드존 센서를 구비한 수위 측정 장치.
   

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