KR102016743B1 - Capacitive water level sensor - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a capacitance type water level sensor for implementing the water level sensor so as to increase voltage by increasing capacitance among sensing electrodes as the water level increases, and accurately detecting the water level using a voltage difference. The capacitance type water level sensor comprises: a first electrode connected in series to a gate line connected to a power source; a second electrode arranged at a predetermined interval with the first electrode to detect the water level with the capacitance which varies according to the water level; and a transistor of which a drain terminal is connected to the gate line, a gate terminal is connected to the second electrode and a source terminal is connected to an output line, so as to output a change in voltage responding to a change in capacitance between the first electrode and the second electrode according to the water level as a water level detection value.

Description

정전용량 방식의 수위센서{Capacitive water level sensor}Capacitive water level sensor

본 발명은 정전용량 방식의 수위센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 수위 센서를 구현하고, 전압 차를 이용하여 수위를 정확하게 감지하도록 한 정전용량 방식의 수위센서에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive water level sensor, and more particularly, to implement a water level sensor to increase the voltage by increasing the capacitance between sensing electrodes as the water level increases, and to accurately detect the water level using a voltage difference. It relates to a capacitive water level sensor.

일반적으로 수위센서는 물의 양을 감지하거나 또는 물이 부족함을 검출하기 위한 센서이다. In general, the water level sensor is a sensor for detecting the amount of water or the lack of water.

그 중 정전용량 방식의 수위 레벨 감지센서는 센서(sensor) 측의 정전용량(Capacitance)과 레퍼런스(Reference) 측의 정전용량을 비교하여 인식 여부를 결정한다. 예컨대, 물이 없는 경우는 레퍼런스 측의 정전용량이 센서 측 정전 용량보다 크고, 물이 있는 경우(물을 감지하는 경우)는 레퍼런스 측의 정전용량보다 센서 측 정전용량이 크다.Among them, the capacitive level sensor detects whether the sensor is recognized by comparing the capacitance of the sensor side and the capacitance of the reference side. For example, when there is no water, the capacitance on the reference side is larger than the capacitance on the sensor side, and when there is water (when water is detected), the capacitance on the sensor side is larger than the capacitance on the reference side.

한편, 일반적인 정전용량 방식 수위 감지 센서의 PCB(인쇄회로기판, Printed Circuit Board)는 단순히 센서 패드와 레퍼런스 패드 간 면적의 차이를 둔 후, 각 면적이 가지는 정전용량을 상대적으로 비교하여 동작 유무를 판단하는 방식이다.On the other hand, the PCB (Printed Circuit Board) of the general capacitive water level sensor simply determines the difference between the area of the sensor pad and the reference pad, and then compares the capacitance of each area to determine the operation status. That's the way it is.

하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 3> 에 종래에 제안된 정전용량 방식의 수위센서가 개시되었다.In the following <Patent Documents 1> to <Patent Document 3>, a capacitive water level sensor conventionally proposed is disclosed.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 PCB의 일면에 수직으로 부착되어 수위의 상승을 감지하는 적어도 하나 이상의 센서 패드를 포함하는 센서 패드부, PCB의 다른 면에 수직으로 부착되는 적어도 하나 이상의 레퍼런스 패드를 포함하는 레퍼런스 패드부를 포함하고, 센서 패드와 레퍼런스 패드는 서로 겹치지 않도록 수평으로 교차하여 배치된다. 이러한 수위 센서는 수위가 상승하여 센서 패드의 정전용량이 변화하여도 레퍼런스 패드는 전극(GND)에 의해 수위의 영향을 받지 않아 정전용량의 변화가 없어 기준이 변하지 않으므로, 감도의 변화가 발생하지 않는 장점이 있으며, 레퍼런스 패드와 센서 패드를 서로 반대 면에 수평으로 교차하여 배치함으로써, 상호 간의 간섭을 배제할 수 있게 된다.The prior art disclosed in <Patent Document 1> is a sensor pad unit including at least one sensor pad attached to one surface of the PCB vertically to detect the rise of the water level, at least one reference pad attached to the other surface of the PCB perpendicularly It includes a reference pad including a, wherein the sensor pad and the reference pad is disposed to cross horizontally so as not to overlap each other. Even if the level sensor rises and the capacitance of the sensor pad changes, the reference pad is not affected by the water level by the electrode GND. There is an advantage, by arranging the reference pad and the sensor pad horizontally opposite to each other, it is possible to eliminate the mutual interference.

또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 CVD 방식의 비접촉 정전용량 수위센서는 1개 이상의 금속 패드를 가지는 센서패턴으로, 물통 외부에서 비접촉 방식으로 수위를 감지하기 위한 감지부, 감지부의 감지된 수위정보를 외부로 출력하기 위한 회로부를 포함하며, 금속 패드 각각은 회로부와 금속성 와이어로 연결된다. 이러한 구성을 갖는 수위 센서는 주파수 방식의 수위센서보다 노이즈에 강하고 감지하는 값에 대한 변화량이 적어 오차가 적다.In addition, the prior art disclosed in <Patent Document 2> is a CVD non-contact capacitive level sensor is a sensor pattern having one or more metal pads, the sensing unit for detecting the water level in a non-contact manner outside the water tank, A circuit portion for outputting the water level information to the outside, each metal pad is connected to the circuit portion and the metallic wire. The water level sensor having such a configuration is stronger in noise than the water level sensor of the frequency type, and has a small amount of error due to a small amount of change in the detected value.

또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 수위를 감지할 위치에 도체의 패드(Pad)를 형성해 놓고 기준점과 그 패드 간의 정전용량(Capacitance)의 변화를 감지하여 패드를 형성해 놓은 곳까지 수위가 올라와 있는지, 그렇지 않은지를 판단하는 수위센서를 제공한다. 이러한 구성을 통해, 감지센서가 탱크의 외부에 설치되고 또 물과는 격리되어 있기 때문에, 때가 끼는 현상이 없어 위생적이고 그 구조가 간단하여 기구설계가 용이하며 원가를 절감할 수 있게 된다.In addition, the prior art disclosed in Patent Document 3 forms a pad of a conductor at a position where a water level is to be sensed, and detects a change in capacitance between the reference point and the pad to detect a change in capacitance. It provides a level sensor to determine if it is up or not. Through this configuration, since the sensor is installed on the outside of the tank and is isolated from the water, it is hygienic and the structure is simple because there is no bleeding phenomenon, so that the design of the apparatus is easy and the cost can be reduced.

대한민국 공개특허 10-2013-0127612(2013.11.25. 공개)(수위 레벨 센서용 PCB)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0127612 (published Nov. 25, 2013) (PCB for water level sensor) 대한민국 공개특허 10-2016-0057973(2016.05.24. 공개)(CVD 방식의 비접촉 정전용량 수위센서)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0057973 (published May 24, 2016) (CVD non-contact capacitive level sensor) 대한민국 공개실용신안 20-2012-0000414(2012.01.16. 공개)(정전용량 변화 감지방식의 수위센서)Republic of Korea Utility Model 20-2012-0000414 (released Jan. 16, 2012) (Level sensor with capacitive change detection method)

그러나 상기와 같은 종래기술들은 수위 감지를 위한 센서 구조가 복잡하고, 이로 인해 수위 센서를 위한 PCB의 구조도 복잡하다는 단점이 있다.However, the prior art as described above has a disadvantage in that the structure of the sensor for detecting the water level is complicated, and therefore, the structure of the PCB for the water level sensor is also complicated.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 하는 간단한 구성으로 수위 센서를 구현하고, 전압 차를 이용하여 수위를 정확하게 감지하도록 한 정전용량 방식의 수위센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been proposed to solve various problems occurring in the prior art as described above, and implements a water level sensor with a simple configuration to increase the voltage by increasing the capacitance between sensing electrodes as the water level increases, and The object of the present invention is to provide a capacitive water level sensor that accurately detects the water level using a car.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서는, 전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극; 상기 제1전극과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변화하는 정전용량으로 수위를 감지하는 제2전극; 드레인 단자가 상기 게이트 라인에 연결되며, 게이트 단자가 상기 제2전극에 연결되며, 소스 단자가 출력 라인과 연결되어, 수위에 따라 제1전극 및 제2 전극 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력하는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the capacitive water level sensor according to the present invention, the first electrode connected in series to the gate line (Gate line) connected to the power source; A second electrode arranged at a predetermined interval from the first electrode to sense the water level with a capacitance varying with the water level; A drain terminal is connected to the gate line, a gate terminal is connected to the second electrode, a source terminal is connected to the output line, and a change in voltage corresponding to a change in capacitance between the first electrode and the second electrode according to the water level It characterized in that it comprises a transistor for outputting a level detection value.

상기에서 제1전극과 제2 전극은 직렬로 배열되는 것을 특징으로 한다.In the above, the first electrode and the second electrode is characterized in that arranged in series.

상기에서 제2전극의 면적이 제1전극의 면적보다 적어도 2배 이상 큰 것을 특징으로 한다.The area of the second electrode is characterized in that at least two times larger than the area of the first electrode.

상기에서 트랜지스터는 물이 존재하면 상기 제2전극의 정전용량의 증가에 따라 게이트 전압이 낮아져 출력 전류가 감소하고, 물이 없으면 제1 및 제2 전극의 정전용량이 직렬로 더해져 기생용량의 감소로 게이트 전압이 높아져 출력 전류가 증가하는 방식으로 수위 감지 값을 출력하는 것을 특징으로 한다.In the transistor, when water is present, the gate voltage decreases as the capacitance of the second electrode increases, so that the output current decreases. When water does not exist, the capacitance of the first and second electrodes is added in series to decrease the parasitic capacitance. The gate voltage is increased so that the output current increases so that the water level detection value is output.

상기에서 트랜지스터는 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)를 이용하는 것을 특징으로 한다.The transistor is characterized in that using an N-channel field effect transistor (FET).

본 발명에 따르면 수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 하는 간단한 구성으로 수위 센서를 구현할 수 있으며, 이에 따라 수위 센서의 구성을 단순화함은 물론 수위센서의 PCB를 작고 간단하게 설계하면서도 수위를 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the water level sensor can be implemented with a simple configuration in which the capacitance between the sensing electrodes increases as the water level increases, so that the voltage increases, thereby simplifying the configuration of the water level sensor and making the PCB of the water level sensor small and simple. It is designed to measure the water level accurately.

도 1은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서 PCB 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서 회로도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 물의 존재 유무에 따른 수위센서의 정전용량 변화 모식도.1 is a structural diagram of a capacitive water level sensor PCB according to the present invention,
2 is a circuit diagram of a capacitance level sensor according to the present invention;
Figure 3a and Figure 3b is a schematic diagram of the capacitance change of the water level sensor according to the presence or absence of water in the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 정전용량 방식의 수위센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a capacitive water level sensor according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 정전용량 방식의 수위센서 PCB 구조도로서, 수위 감지 값을 출력하는 트랜지스터(10), 전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극(20)(C1), 상기 제1전극(200(C1)과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변환하는 정전용량(C)으로 수위를 감지하는 제2전극(30)(C2)으로 이루어진다.1 is a structure diagram of a capacitive water level sensor PCB according to an embodiment of the present invention, in which a transistor 10 for outputting a level detection value and a first electrode connected in series with a gate line connected to a power source are shown in FIG. (20) (C1), the first electrode 200 (C1) is arranged at a predetermined interval and is composed of a second electrode 30 (C2) for detecting the water level by the capacitance (C) to convert according to the water level. .

여기서 제1전극(C1)과 제2 전극(30)은 직렬로 배열되며, 상기 제2전극(C2)의 면적이 제1전극(C1)의 면적보다 적어도 2배 이상 크다.Here, the first electrode C1 and the second electrode 30 are arranged in series, and the area of the second electrode C2 is at least two times larger than the area of the first electrode C1.

아울러 상기 트랜지스터(10)는 드레인 단자(D)가 상기 게이트 라인(Gate line)에 연결되며, 게이트 단자(G: Gate)가 상기 제2전극(C2)(30)에 연결되고, 소스 단자(S: Source)가 출력 라인(Output line)과 연결되어, 수위에 따라 제1전극(C1) 및 제2 전극(C2) 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력한다.In addition, in the transistor 10, a drain terminal D is connected to the gate line, a gate terminal G is connected to the second electrode C2 30, and a source terminal S Source is connected to an output line and outputs a change in voltage corresponding to a change in capacitance between the first electrode C1 and the second electrode C2 according to the water level as a level detection value.

이러한 트랜지스터(30)는 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)를 이용하는 것이 바람직하다.Such a transistor 30 preferably uses an N-channel field effect transistor (FET).

도 2는 도 1과 같은 정전용량 방식의 수위센서의 회로도이다.FIG. 2 is a circuit diagram of a capacitive water level sensor as shown in FIG. 1.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the capacitive water level sensor according to the present invention configured as described above will be described in detail.

먼저, 도 1 및 도 2에 도시한 정전용량 방식의 수위센서 회로도와 같이, 게이트 라인(스캔 라인)에 연결되는 일정 면적의 제1전극(C1)과 트랜지스터(30)의 게이트 단자(G)에 연결되는 일정 면적의 제2전극(C2)이 일정 간격을 두고 배치된다.First, as shown in the capacitance level sensor circuit diagram shown in FIGS. 1 and 2, the first electrode C1 and the gate terminal G of the transistor 30 having a predetermined area connected to the gate line (scan line). The second electrode C2 having a predetermined area to be connected is disposed at a predetermined interval.

스캔 라인에 게이트 펄스(스캔 펄스)가 인가되면, 트랜지스터(30)의 게이트 단자(G)에 연결된 제1전극(C1) 및 제2전극(C2)의 결합에 의해 전압 변화를 유도하여, 수위를 감지하게 된다.When a gate pulse (scan pulse) is applied to the scan line, the voltage level is induced by the combination of the first electrode C1 and the second electrode C2 connected to the gate terminal G of the transistor 30, thereby increasing the water level. Will be detected.

예컨대, 물이 있을 때는 수위 감지용 제2전극(C2)의 정전용량이 증가하면서 트랜지스터(30)의 게이트 단자(G)의 전압의 상승이 줄어들어 물이 없을 때보다 드레인 단자(D: Drain)에서 소스 단자(S)로 흐르는 전류가 적게 흐른다.For example, when there is water, the voltage of the gate terminal G of the transistor 30 decreases as the capacitance of the second electrode C2 for detecting the water level increases, so that the drain terminal D (Drain) does not have water. Less current flows to the source terminal S.

반대로, 물이 없을 때는 수위 감지용 제2전극(C2)과 제1전극(C1)의 정전용량이 직렬로 더해져, 기생용량이 감소하여 트랜지스터(30)의 게이트 단자(g)의 전압이 높아져 드레인 단자(d)에서 소스 단자(S)로 전류가 많이 흐른다.On the contrary, when there is no water, the capacitance of the second electrode C2 and the first electrode C1 for water level sensing are added in series, and the parasitic capacitance is reduced, so that the voltage at the gate terminal g of the transistor 30 becomes high and drains. A lot of current flows from the terminal (d) to the source terminal (S).

도 3a는 물이 없을 때의 정전용량 방식의 수위센서의 정전용량 모식도이고, 도 3b는 물이 있을 때 정전용량 방식의 수위센서의 정전용량 모식도이다.Figure 3a is a schematic diagram of the capacitance level sensor in the absence of water, Figure 3b is a schematic diagram of the capacitance level sensor in the presence of water.

여기서 게이트 라인(스캔 라인)으로 입력된 전압이 Vref이고, 제1전극(C1)의 기준 정전용량이 Cref이며, 제2전극(C2)의 물에 따른 변화하는 정전용량이 Cx라고 할 때, 트랜지스터의 게이트 단자(G)에 인가되는 전압 Vx는 아래와 같은 수식으로 표현된다.Here, when the voltage input to the gate line (scan line) is Vref, the reference capacitance of the first electrode C1 is Cref, and the changing capacitance according to the water of the second electrode C2 is Cx. The voltage Vx applied to the gate terminal G is expressed by the following equation.

Figure 112018066944585-pat00001
Figure 112018066944585-pat00001

따라서 수위가 높아짐에 따라 제1전극(C1) 및 제2전극(C2) 간의 정전용량이 증가하여 전압의 증가가 줄어들어 거의 0이 되도록 함으로써, 그 전압 차를 이용하여 수위를 감지하게 된다.Therefore, as the water level increases, the capacitance between the first electrode C1 and the second electrode C2 increases, so that the increase in voltage decreases to almost zero, thereby detecting the water level using the voltage difference.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Although the invention made by the present inventors has been described in detail according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Self-evident to those who have

10: 트랜지스터
20: 제1전극(C1)
30: 제2전극(C2)
G: 게이트 단자(Gate)
D: 드레인 단자(Drain)
S: 소스 단자(Source)10: transistor
20: first electrode C1
30: second electrode C2
G: Gate Terminal
D: Drain Terminal
S: Source Terminal

Claims (5)

정전용량 방식의 수위센서로서,
전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극;
상기 제1전극과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변화하는 정전용량으로 수위를 감지하는 제2전극;
드레인 단자가 상기 게이트 라인에 연결되고, 게이트 단자가 상기 제2전극에 연결되며, 소스 단자가 출력 라인과 연결되어, 수위에 따라 제1전극 및 제2 전극 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력하는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 수위센서에 있어서,
상기 제1전극과 제2전극은 일정 간격을 두고 직렬로 배열되며 상기 트랜지스터는 물이 존재하면 상기 제2전극의 정전용량의 증가에 따라 게이트 전압이 낮아져 출력 전류가 감소하고, 물이 없으면 제1 및 제2 전극의 정전용량이 직렬로 더해져 기생용량의 감소로 게이트 전압이 높아져 출력 전류가 증가하는 방식으로 수위 감지 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 수위센서.As a capacitive water level sensor,
A first electrode connected in series to a gate line connected to a power source;
A second electrode arranged at a predetermined interval from the first electrode to sense the water level with a capacitance varying with the water level;
A drain terminal is connected to the gate line, a gate terminal is connected to the second electrode, and a source terminal is connected to the output line, so that a change in voltage corresponding to a change in capacitance between the first electrode and the second electrode according to the water level In the capacitive water level sensor, characterized in that it comprises a transistor for outputting a level detection value,
The first electrode and the second electrode are arranged in series at regular intervals, and if the water is present, the gate voltage decreases as the capacitance of the second electrode increases, so that the output current decreases. And the capacitance of the second electrode is added in series to output the water level detection value in such a manner that an output current increases by increasing a gate voltage due to a decrease in parasitic capacitance. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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