KR101984636B1 - 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 굴절률이 서로 다른 이종재료 간의 전반사를 이용한 광학식 수위센서를 개시한다. 광학식 수위센서는 발광부; 수광부; 발광부와 수광부의 삽입영역이 형성되어 발광부와 수광부를 하우징하는 케이스 및 발광부와 수광부의 삽입영역 사이에 형성되고, 케이스와 동일한 물질로 이루어진 프리즘을 포함하여, 상기 프리즘이 케이스 일면으로 일체화된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 굴절률이 서로 다른 이종재료 간의 전반사를 이용한 광학식 수위센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프리즘이 케이스 일면으로 일체화된 광학식 수위센서에 관한 것이다.
갈수 센서는 가습기용, 정수기용, 보일러용 및 화학약품용 등 다양한 기기의 액체탱크에 설치되고, 갈수 운전이 되지 않도록 액체탱크에 수용된 액체의 수위를 감지한다.
갈수 센서는 플로트(float) 센서, 전극봉(electrode) 센서, 정전용량(capacitance) 센서 및 광 센서를 포함한다. 특허문헌 1은 플로트 센서에 관한 것이고, 특허문헌 2는 전극봉 센서에 관한 것이며, 특허문헌 3은 정전용량 센서에 관한 것이고, 특허문헌 4는 광 센서에 관한 것이다.
플로트 센서는 플로트가 상하로 운동하면서 수위를 감지하는 센서로서, 액체탱크 내부에 설치된 원통형의 스템 외부에 자석이 내장된 플로트가 상하 유동 가능하게 삽입되고, 자석에 의해 온오프 동작하는 리드 스위치가 내장되어 있다. 그러나 플로트 센서는 부피가 크고, 화공약품에 상용하기 어려우며, 일정한 압력이나 온도 조건에서 정상적으로 동작하기 어려운 문제점이 있다.
전극봉 센서는 전극봉에 액체가 닿을 때 전류가 흐르고, 닿지 않을 때 전류가 흐르지 않는 원리를 이용한 센서로서, 전류 흐름여부를 감지하여 액체의 수위를 감지한다. 그러나 전극봉 센서는 화공약품이 포함된 액체에 사용하기 어렵고, 감지를 위한 세팅이 민감하여 오작동이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
정전용량형 센서는 액체의 수위에 따라 가변되는 정전용량을 측정하는 원리를 이용한 센서로서, 액체탱크 내부에 설치되어 액체의 수위의 변화에 따라 가변되는 정전용량을 감지하는 전극부를 포함한다. 그러나 정전용량형 센서는 온도 또는 습도 변화에 의해 물방울이나 미스트 등 결로 발생시 센서 오작동이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
광학식 센서는 액체탱크 내부에 설치된 발광부, 발광부의 대향면에 설치된 수광부 및 수광된 광전압을 비교하여 수위를 감지하는 제어부를 포함한다. 그러나 광 센서는 액체탱크에 설치시 발광부와 수광부를 정렬하여 설치되어야 하기 때문에 설치 소요시간이 증가할 수 있는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 케이스의 삽입영역에 발광부와 수광부가 삽입되고, 케이스 일면이 프리즘 기능을 수행하는 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서를 제공한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 굴절률이 서로 다른 이종재료 간의 전반사를 이용한 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서는, 발광부; 수광부; 발광부와 수광부의 삽입영역이 형성되어 발광부와 수광부를 하우징하는 케이스 및 발광부와 수광부의 삽입영역 사이에 형성되고, 케이스와 동일한 물질로 이루어진 프리즘을 포함하여, 상기 프리즘이 케이스 일면으로 일체화된 것을 특징으로 한다.
상기 케이스는 삽입영역과 연통되어 일측벽이 개방된 개방부 및 개방부를 덮기 위한 덮개부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 덮개부는 발광부와 수광부가 부착되어 발광부와 수광부의 신호처리를 위한 회로배선이 형성된 PCB 기판인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 PCB 기판은 일면에 발광부와 수광부가 부착되되, 일면에 신호처리용 부품이 조립되거나, 다른 일면에 신호처리용 부품이 몰딩처리되어 조립되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발광부와 수광부는 프리즘에 대응하여 입사각과 반사각이 40 내지 50도로 광 정렬된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 케이스 일면에는 액체탱크 외벽에 탈부착하기 위한 탈부착 수단이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 프리즘 일체형 케이스를 제공하여 광학식 수위센서의 조립공정을 간소화시킬 수 있고, 발광부와 수광부가 케이스의 삽입영역 위치에서 조립되어 발광부와 수광부의 광 정렬을 위한 세팅 과정을 생략할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 덮개부를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 포함하는 광학식 수위센서를 도시한 블록도이다.
도 6은 액체의 정상 상태 수위를 감지하는 예를 도시한 것이다.
도 7은 액체의 갈수 상태 수위를 감지하는 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 덮개부를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 포함하는 광학식 수위센서를 도시한 블록도이다.
도 6은 액체의 정상 상태 수위를 감지하는 예를 도시한 것이다.
도 7은 액체의 갈수 상태 수위를 감지하는 예를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
광학식 수위센서는 발광부, 수광부 및 프리즘 일체형 케이스를 포함하고, 굴절률이 서로 다른 이종재료 간의 전반사를 이용하며, 액체탱크의 외벽에 부착되어 액체탱크의 수위를 감지한다. 이하 프리즘 일체형 케이스의 구조를 설명하고, 광학식 수위센서의 동작 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 단면도로서, 프리즘 일체형 케이스(100)는 발광부와 수광부의 삽입영역이 형성되어 발광부와 수광부를 하우징한다.
프리즘 일체형 케이스(100)는 발광부를 삽입하기 위한 제1 삽입영역(110)이 형성되고, 수광부를 삽입하기 위한 제2 삽입영역(120)이 형성되며, 제1 삽입영역(110)과 제2 삽입영역(120) 사이에는 프리즘(130)이 형성된다.
프리즘(130)은 케이스와 동일한 물질로 이루어지고, 일면이 케이스 일면이 되며, 케이스와 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리즘 일체형 케이스(100)를 제공하여 광학식 수위센서의 조립공정을 간소화시킬 수 있고, 발광부와 수광부가 제1 삽입영역(110)과 제2 삽입영역(120) 위치에서 조립되어 발광부와 수광부의 광 정렬을 위한 세팅 과정을 생략할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 덮개부를 도시한 단면도로서, 프리즘 일체형 케이스(100)는 발광부와 수광부를 삽입하기 위해 삽입영역(110, 120)과 연통되어 일측벽이 개방된 개방부(140) 및 개방부(140)를 덮기 위한 덮개부(160)를 더 포함한다.
프리즘 일체형 케이스(100) 일측벽에는 조립돌기(150)가 형성되고, 덮개부(160)는 조립돌기(150)와 결합하기 위한 조립홈(163)이 형성된다. 조립돌기(150)와 조립홈(163)은 당업자의 설계에 따라 다양한 개수로 구성될 수 있고, 이에 한정하지 않는다.
발광부와 수광부는 프리즘 일체형 케이스(100)에 삽입되어 설치될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 덮개부(160)에 부착되어 조립될 수 있으며, 프리즘 일체형 케이스(100)에 덮개부가 결합되면서 설치될 수 있다.
덮개부(160)는 발광부가 부착되기 위한 발광부 부착부(161) 및 수광부가 부착되기 위한 수광부 부착부(162)를 포함한다. 덮개부(160)는 발광부와 수광부가 부착되어 발광부와 수광부의 신호처리를 위한 회로배선(164)이 형성된 PCB 기판이다.
회로배선(164)은 발광부와 수광부의 동작 전원을 공급하고, 발광부와 수광부의 동작을 제어하기 위한 제어 명령을 전송하며, 수광부에서 측정된 반사광 광량값을 전송한다.
본 발명은 PCB 기판이 프리즘 일체형 케이스(100)의 덮개 기능으로 사용되어 광학식 수위센서의 조립공정을 더욱 간소화시킬 수 있고, 프리즘 일체형 케이스(100)의 재료비용을 절감할 수 있으며, 조립공정이 개선되어 광학식 수위센서의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 일체형 케이스를 포함하는 광학식 수위센서를 도시한 블록도로서, 광학식 수위센서(200)는 발광부, 수광부 및 프리즘 일체형 케이스(100)를 포함한다.
발광부(210)는 프리즘(130)에 대응하여 설정된 입사각으로 광원을 조사하고, 수광부(220)는 프리즘(130)으로부터 반사되는 반사광을 감지하여 반사광의 광량을 측정한다.
발광부와 수광부는 프리즘(130)에 대응하여 입사각과 반사각이 40 내지 50도로 광 정렬된 것을 특징으로 할 수 있다.
광학식 수위센서(200)는 신호처리용 부품인 통신부(230), 배터리(240), 메모리(250), 알람부(260) 및 제어부(270) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 당업자의 설계에 따라 신호처리용 부품을 프리즘 일체형 케이스(100)에 설치할 수 있고, 외부기기(미도시)에 설치할 수 있다. 외부기기는 이동통신 단말기, 데스크톱 PC 또는 갈수 센서 제어장치일 수 있다.
프리즘 일체형 케이스(100)에 신호처리용 부품이 설치되면 통신부(230)는 수광부(220)에서 측정된 반사광 광량값을 외부기기에 전송할 수 있다. 통신부(230)는 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 반사광 광량값을 외부기기로 전송할 수 있다.
덮개부(160)로 구성되는 PCB 기판은 일면에 발광부와 수광부가 부착되되, 일면에 신호처리용 부품이 조립되거나, 다른 일면에 조립공간을 확보하기 위해 신호처리용 부품이 몰딩처리되어 조립될 수 있다.
배터리(240)는 회로배선(164)과 연결되어 발광부(210)와 수광부(220)의 동작 전원을 공급하고, 메모리(250)는 갈수 임계범위가 저장되어 있다. 갈수 임계범위는 정상 상태 수위와 갈수 상태 수위를 구분하기 위한 정보이다.
제어부(270)는 설정된 주기로 발광부가 동작되도록 제어하고, 반사광 광량값과 갈수 임계범위를 비교하여 갈수여부를 판별한다. 통신부(230)는 갈수여부에 대한 판별결과를 외부기기로 전송할 수 있다.
알람부(260)는 갈수 상태 수위로 판별되면 알람을 발생한다. 알람부(260)는 프리즘 일체형 케이스(100) 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 알람부(260)는 LED 또는 스피커를 통하여 알람을 발생할 수 있다.
액체탱크는 용도에 따라 수용되는 액체의 종류가 달라지고, 액체의 종류 또는 배치되는 장소에 따라 재료가 달라진다. 또한 액체탱크는 제조사별로 수용되는 액체와 재료가 달라질 수 있다.
메모리(250)는 액체의 종류, 제조사별 액체탱크의 종류, 액체탱크 외벽 재료의 종류 또는 액체탱크 외벽 재료의 두께 별로 수위 임계범위가 저장될 수 있다.
제어부(270)는 물과 플라스틱의 굴절률에 따른 수위 임계범위로 초기 세팅할 수 있고, 사용자의 선택입력을 받아 수위 임계범위를 세팅할 수 있다.
제어부(270)는 사용자의 선택입력을 받으면 메모리(250)에 저장된 수위 임계범위를 선택할 수 있다. 예를 들어 사용자는 액체의 종류, 제조사별 액체탱크의 종류, 액체탱크 외벽 재료의 종류 또는 액체탱크 외벽 재료의 두께에 대한 선택입력을 할 수 있다.
제어부(270)는 사용자의 선택입력을 받으면 수위 임계범위를 생성하여 메모리(250)에 저장되도록 할 수 있다. 예를 들어 사용자는 액체가 정상 상태 수위일 때 수광부(220)가 반사광 광량을 측정하도록 입력할 수 있고, 액체가 갈수 상태 수위일 때 수광부(220)가 반사광 광량을 측정하도록 입력할 수 있다. 제어부(270)는 2가지 상태에 따른 반사광 광량값에 기반하여 수위 임계범위를 생성할 수 있다.
본 발명은 굴절률 영향에 미치는 요소들을 고려하여 수위 임계범위를 세팅 또는 생성하는 광학식 수위센서(200)를 제공함으로써, 다양한 기기의 액체탱크 외벽에 탈부착하여 범용적으로 사용할 수 있다.
도 6은 액체의 정상 상태 수위를 감지하는 예를 도시한 것이고, 도 7은 액체의 갈수 상태 수위를 감지하는 예를 도시한 것으로서, 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서(100)에서 케이스 일면에는 액체탱크(10) 외벽에 탈부착하기 위한 탈부착 수단(미도시)이 형성된 것을 특징으로 한다. 탈부착 수단은 밴드, 테이프 또는 벨크로일 수 있다.
본 발명은 탈부착 수단에 의해 가습기용, 정수기용, 보일러용 및 화학약품용 등 다양한 기기의 액체탱크(10) 외벽에 탈부착하여 재사용할 수 있다. 다양한 기기는 액체탱크 제어장치일 수 있다.
액체탱크(10) 내부에는 액체(20)가 수용되어 있고, 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서(100)는 액체(20)가 정상 상태 수위 또는 갈수 상태 수위에 있는지 감지한다.
[표 1]은 정상 상태 수위와 갈수 상태 수위에서 발광부의 입사각에 따른 굴절각을 나타낸 것이다.
[표 1]
[표 1]의 결과는 다음과 같은 실험조건으로 하여 도출되었다. 액체탱크(10)는 플라스틱 재료로 이루어지고, 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서(100)는 액체탱크(10) 외벽에 부착되며, 액체(20)는 물로 이루어진다.
정상 상태 수위에서는 물과 프리즘(130) 간의 굴절률 차이가 작기 때문에 전반사가 발생하지 않고, 굴절광에 의해 산란되어 반사광의 광량이 적어진다.
갈수 상태 수위에서는 공기와 프리즘(130) 간 굴절률 차이가 크기 때문에 입사각 45 내지 50도에서 전반사가 발생하고, 반사광의 광량이 많아진다.
본 발명은 [표 1]을 참조하면 발광부(210)가 프리즘(130)에 대응하여 입사각이 45 내지 50도인 것을 특징으로 한다.
액체탱크(10)는 용도에 따라 수용되는 액체(20)의 종류가 달라지고, 액체(20)는 종류에 따라 굴절률이 달라지며, 광학식 수위센서(100)는 액체(20)의 종류에 따라 감지되는 반사광의 광량이 달라진다. 예를 들어 물은 1.33 굴절률이고, 벤젠은 1.50 굴절률이며, 설탕 80%중량부와 물 20%중량부가 포함된 설탕물은 1.49 굴절률이므로, 액체(20)는 종류에 따라 굴절률이 달라진다.
액체탱크(10)는 액체(20)의 종류 또는 배치되는 장소에 따라 외벽의 재료가 달라지고, 광학식 수위센서(100)는 액체탱크(10) 외벽의 재료 또는 재료의 두께에 따라 감지되는 반사광의 광량이 달라진다. 예를 들어, 액체탱크(10) 외벽의 재료는 플라스틱 또는 유리 재료일 수 있고, 플라스틱과 유리의 굴절률은 서로 다를 수 있으며, 안경 렌즈의 두께에 따라 굴절률이 달라지는 재료와 유사할 수 있다.
따라서 본 발명은 액체(20)의 종류와 액체탱크(10)의 재료에 따라 광학식 수위센서(100)에서 감지되는 반사광의 광량이 달라질 수 있으므로, 수위 임계범위가 세팅된 광학식 수위센서(100)를 제공한다. 수위 임계범위를 세팅하는 수단은 도 5를 참조하기로 한다.
100: 프리즘 일체형 케이스
110: 제1 삽입영역 120: 제2 삽입영역
130: 프리즘 140: 개방부
150: 조립돌기 160: 덮개부
161: 발광부 부착부 162: 수광부 부착부
163: 조립홈 164: 회로배선
200: 광학식 수위센서
210: 발광부 164: 수광부
230: 통신부 240: 배터리
250: 메모리 260: 알람부
270: 제어부
110: 제1 삽입영역 120: 제2 삽입영역
130: 프리즘 140: 개방부
150: 조립돌기 160: 덮개부
161: 발광부 부착부 162: 수광부 부착부
163: 조립홈 164: 회로배선
200: 광학식 수위센서
210: 발광부 164: 수광부
230: 통신부 240: 배터리
250: 메모리 260: 알람부
270: 제어부
Claims (6)
- 굴절률이 서로 다른 이종재료 간의 전반사를 이용한 광학식 수위센서에 있어서,
발광부;
수광부;
발광부와 수광부의 삽입영역이 형성되어 발광부와 수광부를 하우징하는 케이스 및
발광부와 수광부의 삽입영역 사이에 형성되고, 케이스와 동일한 물질로 이루어진 프리즘을 포함하고,
상기 케이스는 삽입영역과 연통되어 일측벽이 개방된 개방부 및 개방부를 덮기 위한 덮개부를 더 포함하며,
상기 덮개부는 발광부와 수광부가 부착되어 발광부와 수광부의 신호처리를 위한 회로배선이 형성된 PCB 기판이고,
상기 발광부와 수광부는 개방부와 덮개부가 조립되어 삽입영역에 설치되며,상기 프리즘이 케이스 일면으로 일체화되고, 케이스의 삽입영역에 발광부와 수광부를 각각 삽입하여 광 정렬을 위한 과정이 생략될 수 있으며, 액체탱크 외벽에 부착할 수 있는 것을 특징으로 하는 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 PCB 기판은 일면에 발광부와 수광부가 부착되되, 일면에 신호처리용 부품이 조립되거나, 다른 일면에 신호처리용 부품이 몰딩처리되어 조립되는 것을 특징으로 하는 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서. - 제1항에 있어서,
상기 발광부와 수광부는 프리즘에 대응하여 입사각과 반사각이 40 내지 50도로 광 정렬된 것을 특징으로 하는 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서. - 제1항에 있어서,
상기 케이스 일면에는 액체탱크 외벽에 탈부착하기 위한 탈부착 수단이 형성된 것을 특징으로 하는 케이스와 프리즘이 일체화된 광학식 수위센서.
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