KR101997470B1 - 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서 - Google Patents

이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서 Download PDF

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(주)신우에프에이
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Abstract

본 발명은 누출을 감지하는 센서부의 2개 전극단자를 이종금속으로 구성하고, 상기 2개 전극단자 사이에 화학물질이 접촉될 때 발생되는 기전력을 제어회로의 활성화신호로 이용하여 제어회로를 활성화시킴과 동시에 근거리무선통신으로 누출감지신호를 전송함으로써 간단한 구성과 함께 초절전 소비전력으로 누출감지기능을 수행하도록 한 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서에 관한 것으로, 제1전극(111) 및 제2전극(112)이 형성되어 화학물질 접촉 시 기전력을 발생하는 센서부(110); 상기 센서부(110)에서 발생된 기전력을 이용하여 웨이크업신호를 생성하는 웨이크업신호발생부(120); 상기 웨이크업신호발생부(120)로부터 인가되는 웨이크업신호에 의해 리셋되어 활성화상태로 전환되고, 누액감지신호를 생성하고 이를 근거리무선통신부(150)로 전송하여 주는 제어부(130); 상기 제어부(130)가 활성화상태로 전환되는 경우에만 정격 구동전압을 공급하는 배터리(140); 및 상기 제어부(130)로부터 제공된 누액감지신호를 신호 처리하여 근거리무선통신방식으로 외부로 전송하는 근거리무선통신부(150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서{Leak sensor using electromotive force between dissimilar metal electrodes}
본 발명은 화학물질 리크센서(Leak sensor:누출감지센서)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 누출을 감지하는 센서부의 2개 전극단자를 이종금속으로 구성하고, 상기 2개 전극단자 사이에 화학물질이 접촉될 때 발생되는 기전력을 제어회로의 활성화신호로 이용하여 제어회로를 활성화시킴과 동시에 근거리무선통신으로 누출감지신호를 전송함으로써 간단한 구성과 함께 초절전 소비전력으로 누출감지기능을 수행하도록 한 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서에 관한 것이다.
일반적으로 리크센서는 물이나 화학물질 등의 누액을 감지하는 센서로, 케이블 또는 전극 패턴을 이용한 필름형 센서 등 다양한 종류의 것들이 개시되어 있다.
종래의 리크센서는 물과 화학용액의 판별이 불가능하여 빗물을 화학용액으로 오감지하는 문제가 있어 왔다.
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또한 종래의 리크센서(10)를 이용한 누출경보시스템은 도 1에서와 같이 다수의 리크센서(10)가 각각의 리드 케이블(20)을 통해 누출경보시스템(30)으로 연결되어 있는 구성으로, 유선 케이블에 따른 설치비가 증가되고, 유지 보수비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한 종래의 리크센서(10)는 지면에 부착하는 방식으로 지면으로부터 올라오는 노이즈에 취약하며, 센서 자체가 가지고 있는 높은 저항으로 인한 오동작으로 잦은 가성 경보가 발생하는 문제점도 있었다.
공개특허공보 10-2016-0086598, 공개특허공보 10-2014-0059313, 등록특허공보 10-1326923, 등록특허공보 10-1578060
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 누출을 감지하는 센서부의 2개 전극단자를 이종금속으로 구성하고, 상기 2개 전극단자 사이에 화학물질이 접촉될 때 발생되는 기전력을 웨이크업(Wake-up) 신호 또는 전원공급신호로 이용하여 제어회로를 활성화시킴과 동시에 근거리무선통신으로 누출감지신호를 전송함으로써 간단한 구성과 함께 초절전 소비전력으로 누출감지기능을 수행하도록 한 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 이종금속으로 제1전극 및 제2전극이 형성되어 전해질이 포함된 화학물질 접촉 시 기전력을 발생하는 센서부; 상기 센서부에서 발생된 기전력을 이용하여 활성화 신호를 생성하는 활성화신호발생부; 비활성화 상태를 유지하고 있다가 상기 활성화신호발생부로부터 인가되는 활성화신호에 의해 활성화상태로 전환되고, 활성화 후에는 배터리로부터 정상적인 구동 동작전원이 공급되며 동시에 누액감지신호를 생성하고 이를 근거리무선통신부(150)로 전송하여 주는 제어부; 상기 제어부가 활성화상태로 전환되면 정격 구동전압을 공급하는 배터리; 및 상기 제어부로부터 제공된 누액감지신호를 신호 처리하여 근거리무선통신방식으로 외부로 전송하는 근거리무선통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 제1전극 및 제2전극는 일정간격을 유지하도록 설치되며, 누출을 감지하는 장소의 지면에 접촉 또는 근접하도록 설치 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 제1전극 및 제2전극는 서스와 아연금속으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 활성화신호발생부는 센서부의 제1전극의 출력단이 제2저항을 통해 제1트랜지스터의 베이스단에 연결됨과 동시에 제2트랜지스터의 컬렉터단에 연결되고, 제3저항을 통해 상기 제2트랜지스터의 베이스단에 연결됨과 동시에 캐패시터를 통해 제2전극의 출력단에 연결되고, 상기 제2전극의 출력단은 상기 제2트랜지스터의 베이스단에 접속됨과 동시에 접지되고, 상기 제1트랜지스터의 컬렉터 출력단이 제어부의 리셋단자에 연결됨과 동시에 제1저항을 통해 배터리로부터 동작전압을 공급받도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 근거리무선통신부(150)의 근거리무선통신방식은 블루투스(Bluetooth), 와이파이(WiFi), 지그비(Zig bee), NFC(Near Field Communication) 중의 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 활성화신호발생부는 제1전극의 출력단이 제4저항을 통해 제3트랜지스터의 베이스단에 연결됨과 동시에 제5저항을 통해 제어부의 자기유지신호단자에 연결되고, 상기 제3트랜지스터의 컬렉터단이 상기 제어부의 전원공급신호단자에 연결되고, 상기 제2전극의 출력단이 접지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 누출을 감지하는 센서부의 2개 전극단자를 이종금속으로 구성하고, 상기 2개 전극단자 사이에 화학물질이 접촉될 때 발생되는 기전력을 웨이크업(Wake-up) 신호 또는 전원공급신호로 이용하여 제어회로를 활성화시킴과 동시에 근거리무선통신으로 누출감지신호를 전송함으로써 간단한 구성과 함께 초절전 소비전력으로 누출감지기능을 수행할 수 있는 장점을 제공한다.
또한 본 발명은 재사용이 가능하고, 화학용액만 감지함으로써 물과 화학용액의 판별이 가능하게 된다.
또한 본 발명은 무선근거리통신을 이용하여 설치비가 저렴하고 유지 보수비용이 적으며, 오동작이 적은 장점을 제공한다.
또한 본 발명은 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술을 구현하여 에너지 절감효과를 제공한다.
또한 본 발명은 근거리무선통신방식에 산업인터넷(IIOT) 방식을 적용함으로써, 종래 사물인터넷(IOT)을 사용하던 문제점을 해소한 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 리크센서를 포함한 누출경보시스템의 블록도,
도 2는 본 발명이 적용되는 누출경보시스템의 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 활성화신호발생부의 일실시예에 따른 상세 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 활성화신호발생부의 다른 실시예에 따른 상세 회로도,
도 6의 (a)(b)는 본 발명의 작동 상태를 설명하기 위한 도면과 출력 타이밍도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 누출경보시스템의 블록도이다.
도시된 바와 같이 본 발명 리크센서(100)는 화학물질(이하 '화학용액' 라고도 함)을 감지하면, 누출 감지신호를 근거리무선통신으로 중계수단(200)을 통해 누출경보시스템(320)이나, 관리자의 스마트폰(310) 또는 외부네트워크서버(330)로 전송하여 주는 구조로 구성된다.
상기 리크센서(100)의 근거리무선통신방식은 블루투스(Bluetooth), 와이파이(WiFi), 지그비(Zig bee), NFC(Near Field Communication) 중의 하나가 될 수 있으나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
상기 리크센서(100)의 구성을 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
상기 리크센서(100)는 센서부(110), 활성화신호발생부(120), 제어부(130), 배터리(140) 및 근거리무선통신부(150)를 포함한다.
상기 센서부(110)는 2개의 전극이 일정간격을 유지하도록 설치되며, 누출을 감지하는 장소의 지면에 접촉 또는 근접하도록 설치될 수 있다.
상기 2개의 전극은 제1전극(111)와 제2전극(112)으로 구성된다.
상기 제1전극(111)과 전2전극(112)는 에너지를 발생시키기 위해 이종금속으로 구성하고, 구체적으로는 이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속으로 구성한다.
이와 같이 제1전극(111) 및 제2전극(112)을 이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 이종 금속으로 구성하는 이유는 전해질이 포함된 화학물질이 접촉될 때 이온화 경향이 큰 금속단자가 산화되면서 전자를 공급하게 되고, 이로 인해 기전력이 발생되도록 유도하기 위함이다.
즉 상기 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 피감지매체인 전해질이 포함된 화학물질이 접촉되면 상기 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에는 기전력이 발생된다.
본 발명의 실험예로, 전해질이 포함된 화학용액으로 황산이 10%로 혼합된 수용액을 이용하고, 여러 종류의 이종금속을 사용하여 제1전극(111)와 제2전극(112) 사이에서 걸리는 기전력을 측정하여 보았다.
이의 실험결과 아래의 <표 1>과 같이 나타났다.
제1전극(금속) 제2전극(금속) 기전력(mV)
카본 구리 400mV
카본 아연 500mV
카본 니켈 -400mV
카본 티타늄 -360mV
서스(SUS) 철 309mV
서스(SUS) 아연 1006mV
서스(SUS) 니켈 210mV
상기 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에서 발생되는 기전력은 후단에 연결된 제어부(130)의 활성화(Active) 신호로 이용되기 때문에 가급적 기전력 차이가 적정 수준 이상이 되어야 한다.
따라서 상기 <표 1>의 실험결과 서스와 아연이 가장 좋은 이종 금속간 전극소재로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
상기 활성화신호발생부(120)는 상기 센서부(110)에서 발생된 기전력을 이용하여 웨이크업(Wakeup) 신호 또는 전원공급신호를 생성하고 이를 제어부(130)로 입력하여 주게 된다.
상기 활성화신호발생부(120)는 일 실시예로, 도 4에서와 같이 구성될 수 있다.
즉 활성화신호발생부(120A)는 웨이크업(Wakeup) 신호를 발생하는 회로로, 제1전극(111)의 출력단이 제2저항(R2)을 통해 제1트랜지스터(Q1)의 베이스단에 연결됨과 동시에 제2트랜지스터(Q2)의 컬렉터단에 연결되고, 제3저항(R3)을 통해 상기 제2트랜지스터(Q2)의 베이스단에 연결됨과 동시에 캐패시터(C1)를 통해 제2전극(112)의 출력단에 연결되고, 상기 제2전극(112)의 출력단은 상기 제2트랜지스터(Q2)의 베이스단에 접속됨과 동시에 접지되고, 상기 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터 출력단이 제어부(130)의 리셋단자(P1)에 연결됨과 동시에 제1저항(R1)을 통해 배터리(140)로부터 동작전압을 공급받도록 구성된다.
이의 동작 상태를 살펴보면, 도 6의 (a)와 같이 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 화학용액(L)이 누설 접촉되면 소정의 기전력이 발생된다.
이때 발생된 기전력에 따른 전압은 제2저항(R2)을 통해 제1트랜지스터(Q1)를 턴온 시킨다.
따라서 상기 제1트랜지스터(Q1))의 컬렉터단은 로우레벨로 변환되어 제어부(130)의 리셋단자(P1)에 로우신호를 입력한다.
동시에 발생된 기전력은 제3저항(R3)을 통해 캐패시터(C1)에 일정시간동안 충전되면서 제2트랜지스터(Q2)는 턴오프상태를 유지하게 된다.
이후 상기 캐패시터(C1)에 전하 충전이 완료되면 상기 제2트랜지스터(Q2)의 베이스단에 하이레벨 신호가 입력되어 상기 제2트랜지스터(Q2)는 턴온된다.
상기 제2트랜지스터(Q2)가 턴온되면 상기 제1트랜지스터(Q1)이 턴오프된다.
따라서 상기 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터단은 하이레벨로 변환되어 제어부(130)의 리셋단자(P1)에 하이신호를 입력하게 된다.
즉 도 6의 (b)와 같이, 상기 센서부(110)의 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에서 기전력이 발생되는 시점(t1)에서 제1트랜지스터(Q1)가 턴온되고, 상기 캐패시터(C1)가 충전되는 시점(t2)에서 제2트랜지스터(Q2)가 턴온 됨으로써, 상기 시점(t1~t2) 사이에 로우레벨 펄스의 웨이크업신호(Tw)가 발생되고, 이 신호는 상기 제어부(130)의 리셋단자(P1)에 리셋신호로 인가되어 슬리프 모드(Sleep mode) 중인 제어부(130)를 활성화시켜주게 된다.
상기 제어부(130)는 평상시에는 슬리프모드로 비활성화 상태를 유지하고 있다가 상기 활성화신호발생부(120A)로부터 인가되는 웨이크업신호에 의해 리셋되어 활성화상태로 전환된다.
상기 제어부(130)는 활성화 상태로 전환되면, 배터리(140)로부터 구동 정상 동작전원이 공급되며, 동시에 누액감지신호를 생성하고 이를 근거리무선통신부(150)로 전송하여 준다.
상기 배터리(140)는 상기 제어부(130)가 활성화상태로 전환되는 경우에만 정격 구동전압을 공급하게 되어, 초절전 소비전력으로 배터리의 사용시간이 크게 증가하게 된다.
상기 근거리무선통신부(150)는 상기 제어부(130)로부터 제공된 누액감지신호를 신호 처리하여 근거리무선통신방식으로 중계수단(200)으로 전송하여 준다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용을 이하 설명한다.
먼저, 리크센서(100)를 화학물질의 누출지점의 지면에 설치한다.
그런 다음 리크센서(100)에 전원을 인가하면, 배터리(140)는 대기전력공급 상태로 전환되고 제어부(130)는 슬리프 모드로 전환된다.
따라서 상기 제어부(130)의 리셋단자(RS)는 하이임피던스 상태를 유지하게 된다. 이와 같은 상태에서 도 6의 (a)와 같이 센서부(110)의 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 화학용액(L)이 접촉되어 감지되면, 상기 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 기전력이 발생되고, 이때 발생된 기전력은 활성화신호발생부(120A)를 통해서 도 5의 (b)와 같은 웨이크업신호(Tw)를 생성하여 상기 제어부(130)의 리셋단자(P1)로 입력하여 준다.
따라서 상기 제어부(130)는 웨이크업 되면서 배터리(140)로 정상적인 구동 동작전원이 공급되도록 제어하고, 동시에 누액감지신호를 생성하여 이를 근거리무선통신부(150)를 통해 중계수단(200)으로 전송시켜준다.
상기 중계수단(200)은 상기 리크센서(100)로 전송되어온 화학물질 누액감지신호를 이미 설정된 관리자의 스마트폰(310)이나, 누출경보시스템(320)의 수신부로, 또는 이미 설정된 외부네트워크서버(330)로 무선 전송하여 준다.
따라서 관리자는 해당 리크센서(100)와 누액여부를 확인할 수 있게 된다.
한편, 상기 활성화신호발생부(120)는 다른 실시예로, 도 5에서와 같이 구성될 수 있다.
즉 활성화신호발생부(120B)는 전원공급신호를 발생하는 회로로, 제1전극(111)의 출력단이 제4저항(R4)을 통해 제3트랜지스터(Q3)의 베이스단에 연결됨과 동시에 제5저항(R5)을 통해 제어부(130)의 자기유지신호단자(P3)에 연결되고, 상기 제3트랜지스터(Q3)의 컬렉터단이 상기 제어부(130)의 전원공급신호단자(P2)에 연결되고, 상기 제2전극(112)의 출력단이 접지되도록 구성된다.
이의 동작 상태를 살펴보면, 도 6의 (a)와 같이 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 화학용액(L)이 누설 접촉되면 소정의 기전력이 발생된다.
이때 발생된 기전력에 따른 전압은 제4저항(R4)을 통해 제3트랜지스터(Q3)를 턴온 시킨다.
따라서 상기 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터단은 로우레벨로 변환되어 제어부(130)의 전원공급신단자(P2)에 로우신호를 입력한다.
상기 제어부(130)는 상기 전원공급신단자(P2)로 로우신호가 입력되면 슬리프모드에서 활성화되면서 배터리(140)로부터 정격 전압을 공급받으며, 자기유지신호단자(P3)로 하이신호를 출력한다.
따라서 상기 자기유지신호단자(P3)로 출력된 하이신호는 제5저항(R5)을 통해 상기 제3트랜지스터(Q3)의 베이스에 인가되어 상기 제3트랜지스터(Q3)가 턴온 상태를 유지함으로써 상기 센서부(110)의 기전력이 없더라도 제어부(150)는 활성화 상태를 유지하게 된다.
상기 제어부(130)는 평상시에는 슬리프모드로 비활성화 상태를 유지하고 있다가 상기 활성화신호발생부(120B)로부터 인가되는 전원공급신호에 의해 활성화상태로 전환되는 것이다.
마찬가지로 상기 제어부(130)가 활성화 상태로 전환되면, 배터리(140)로부터 구동 정상 동작전원이 공급되며, 동시에 누액감지신호를 생성하고 이를 근거리무선통신부(150)로 전송하여 주게 되는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 누출을 감지하는 센서부의 2개 전극단자를 이종금속으로 구성하고, 상기 2개 전극단자 사이에 화학물질이 접촉될 때 발생되는 기전력을 웨이크업(Wake-up) 신호 또는 전원공급신호로 이용하여 제어회로를 활성화시킴과 동시에 근거리무선통신으로 누출감지신호를 전송함으로써 간단한 구성과 함께 초절전 소비전력으로 누출감지기능을 수행할 수 있는 장점을 제공한다.
또한 본 발명은 재사용이 가능하고, 화학용액만 감지함으로써 물과 화학용액의 판별이 가능하게 된다.
또한 본 발명은 무선근거리통신을 이용하여 설치비가 저렴하고 유지 보수비용이 적으며, 오동작이 작은 장점을 제공한다.
또한 본 발명은 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술을 구현하여 에너지 절감효과를 제공한다.
또한 본 발명은 근거리무선통신방식에 산업인터넷(IIOT) 방식을 적용함으로써, 종래 사물인터넷(IOT)을 사용하던 문제점을 해소한 효과를 제공하게 되는 것이다.
100: 리크센서 110: 센서부
111: 제1전극 112: 제2전극
120,120A,120B: 활성화신호발생부 130: 제어부
140: 배터리 150: 근거리무선통신부

Claims (6)

  1. 이온화 경향이 큰 금속재질로 이루어진 제1전극(111)과 상기 제1전극(111) 보다는 상대적으로 이온화 경향이 작은 이종의 금속재질로 이루어진 제2전극(112)으로 구성되어 전해질이 포함된 화학물질 접촉 시 기전력을 발생하는 센서부(110);
    상기 센서부(110)에서 발생된 기전력을 이용하여 활성화 신호를 생성하는 활성화신호발생부(120);
    비활성화 상태를 유지하고 있다가 상기 활성화신호발생부(120)로부터 인가되는 활성화신호에 의해 활성화상태로 전환되고, 활성화 후에는 배터리(140)로부터 정상적인 구동 동작전원이 공급되며 동시에 누액감지신호를 생성하고 이를 근거리무선통신부(150)로 전송하여 주는 제어부(130);
    상기 제어부(130)가 활성화상태로 전환되면 정격 구동전압을 공급하는 배터리(140); 및
    상기 제어부(130)로부터 제공된 누액감지신호를 신호 처리하여 근거리무선통신방식으로 외부로 전송하는 근거리무선통신부(150)를 포함하고,
    상기 제1전극(111) 및 제2전극(112)는 일정간격을 유지하도록 설치되며, 누출을 감지하는 장소의 지면에 접촉 또는 근접하도록 설치 구성되고,
    상기 제1전극(111) 및 제2전극(112)는 서스(SUS)와 아연금속으로 구성되고,
    상기 활성화신호발생부는,
    상기 센서부(110)의 제1전극(111)의 출력단이 제2저항(R2)을 통해 제1트랜지스터(Q1)의 베이스단에 연결됨과 동시에 제2트랜지스터(Q2)의 컬렉터단에 연결되고, 제3저항(R3)을 통해 상기 제2트랜지스터(Q2)의 베이스단에 연결됨과 동시에 캐패시터(C1)를 통해 제2전극(112)의 출력단에 연결되고, 상기 제2전극(112)의 출력단은 상기 제2트랜지스터(Q2)의 베이스단에 접속됨과 동시에 접지되고, 상기 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터 출력단이 제어부(130)의 리셋단자(P1)에 연결됨과 동시에 제1저항(R1)을 통해 배터리(140)로부터 동작전압을 공급받도록 구성되어,
    상기 센서부(110)로부터 기전력이 입력되면 로우레벨 펄스인 웨이크업신호(Tw)를 생성하여 상기 제어부(130)의 리셋단자(P1)로 입력하여 주는 것을 특징으로 하는 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화신호발생부는 상기 센서부(110)의 제1전극(111)의 출력단이 제4저항(R4)을 통해 제3트랜지스터(Q3)의 베이스단에 연결됨과 동시에 제5저항(R5)을 통해 제어부(130)의 자기유지신호단자(P3)에 연결되고, 상기 제3트랜지스터(Q3)의 컬렉터단이 상기 제어부(130)의 전원공급신호단자(P2)에 연결되고, 상기 제2전극(112)의 출력단이 접지되도록 구성되어,
    상기 센서부(110)로부터 기전력이 입력되면 상기 제어부(130)의 전원공급신호단자(P2)로 로우신호를 입력하여 주고, 이때 상기 제어부(130)는 슬리프모드에서 활성화되면서 배터리(140)로부터 정격 전압을 공급받으며, 자기유지신호단자(P3)로 하이신호를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이종 금속전극 간 기전력을 이용한 리크센서.
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