KR102095615B1 - 강우 강도 센서 - Google Patents

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해롤드 러셀 베이어드
제프리 스콧 애들러
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Abstract

본 명세서에서 강우 강도 센서가 기재된다. 센서는 저항기 및 저항기로 직렬 전기 연결된 적어도 2개의 서로 이격된 전기 전도성 스트립을 포함하는 회로를 포함한다. 상기 저항기는 전도성 스트립들 사이에 위치한다. 빗방울이 전도성 스트립과 접촉할 때 이들 사이에 저항기와 전기적으로 병렬인 저항 경로를 제공하도록 전도성 스트립은 충분히 이격된다.

Description

강우 강도 센서{RAIN INTENSITY SENSOR}
본 발명은 수분 센서에 관한 것이며 더 구체적으로 강우 강도 센서(rain intensity sensor)(RIS)에 관한 것이다.
강우 센서가, 이러한 검출이 희망되는 경우, 강우의 존재를 검출하기 위해 흔히 사용된다. 그러나 대부분의 강우 센서는 성능 한계를 갖거나 일부 경우 제조 및 작동 비용이 상당히 높을 수 있는 이동 메커니즘 및/또는 능동 전자 구성요소에 의존한다.
현재 많은 강우 센서가 관수 제어(irrigation control)를 위해 사용된다. 미국 특허 4,919,165에 기재되어 있는 이러한 하나의 예시가 사전 설정된 강우량을 감지하기 위한 컨테이너를 가진다. 바람직하지 않게도, 이 강우 센서는 사전 설정된 강우량과 폭우량을 구별할 수 없다. 상기 센서는 태양광에서 건조 상태로 빨리 복귀하며, 이로 인해 폭우의 경우 관수 제어기가 너무 이르게 급수 하기 시작할 수 있다.
또 다른 예시는 전면유리 와이퍼를 동작시키도록 사용되는 Bosch의 차량 전면유리 강우 센서(Michenfelder외에게 허여된 미국 특허 6,376,824의 광학 센서)이다. 이 센서는 물이 외부 유리 표면 상에 있을 때 유리에 대한 반사 광 빔의 굴절의 변화에 의존한다. 자연 광, 가령, 태양광이 센서의 시계(field of view)와 정렬될 때 잘못된 지시를 트리거할 수 있다.
강우 센서의 또 다른 예시가 미국 특허 5,505,082에 기재되어 있으며, 이 위에 깔때기형 물방울을 통과으로써 회전하는 터빈 휠(turbine wheel)을 이용하고, 메커니즘을 교란시키는 것을 방지하기 위해 교체형 필터를 필요로 한다.
또 다른 예를 들면, 미국 특허 4,578,995가 빗방울이 2개의 평행하는 막대를 연결(bridge)할 때 변화를 검출하기 위해 능동 전자 회로를 필요로 하는 강우 센서를 기술한다. 마찬가지로, 미국 특허 4,520,667에 기재된 강우 센서가 2개의 수직으로 이격된 공간을 갖는 격자 위의 깔때기형 빗방울을 통과하고 복잡한 전자 회로를 이용하여 물방울을 카운팅하며 결과를 디스플레이한다.
또 다른 예를 들면, 미국 특허 4,305,280가 빗물이 도달할 때 이를 증발시키기 위해 필요한 전력을 측정하기 위해 능동 전자소자를 이용해 강우량율(rainfall rate)을 결정한다.
따라서 앞서 언급된 단점들 중 하나 이상을 해결하는 개선된, 그러나 단순화된 강우 강도 센서가 필요하다.
따라서 강우 강도 센서가 제공되며, 상기 센서는
회로를 포함하고, 상기 회로는
(i) 제 1 저항기, 및
(ii) 상기 제 1 저항기로 직렬 연결된 적어도 2개의 서로 이격된 전기 전도성 스트립 - 상기 제 1 저항기는 전도성 스트립들 사이에 위치하고, 상기 전도성 스트립들과 접촉하는 빗방울이 이들 사이에 상기 제 1 저항기와 전기적으로 병렬인 감소된 저항 경로(resistive path)를 제공하도록 상기 전도성 스트립들은 충분하게 이격되어 있음 -
을 포함한다.
하나의 예시에서, 상기 회로는, 상기 전기 전도성 스트립들 중 하나가 제 2 저항기, 상기 제 2 저항기와 전기 전도성 스트립 사이에 연결된 전압 탭, 및 접지와 직렬로 연결되어 있는 분압기이다. 제 2 저항기는 자신에게 인가되는 기준 전압을 수신하도록 위치한다. 빗방울이 적어도 2개의 전도성 스트립을 접촉할 때 이들 간 저항이 제 1 저항기와 빗방울 저항 경로의 병렬 저항까지 감소되어 전압 탭을 감소시키도록 상기 센서가 구성된다.
하나의 예시에서, 복수의 빗방울이 적어도 2개의 전도성 스트립과 접촉할 때 전압 탭이 추가로 감소되어 빗방울의 개수의 측정을 가능하게 하도록 센서가 구성된다.
하나의 예시에서, 센서는 제어기로 전기 연결된 온도 센서를 더 포함한다.
또 다른 예를 들면, 전기 전도성 스트립 및 제 1 저항기가 비-전기 전도성 물질 상에 장착된다.
하나의 예시에서, 전도성 요소가 인쇄 회로 기판의 하나의 면 상에 장착되고 제 1 및 제 2 저항기는 인쇄 회로 기판의 나머지 하나의 면 상에 위치한다. 상기 센서는 상기 인쇄 회로 기판의 상기 나머지 한 면 상에 위치하는 온도 센서를 더 포함한다. 상기 센서는 부 온도 계수 저항기이다.
하나의 예시에서, 센서는 복수의 제 1 저항기와 직렬로 전기적 상호연결된 복수의 전기 전도성 스트립을 포함하며, 상기 전기 전도성 스트립은 복수의 갭에 의해 서로 이격되어 있다. 상기 센서는 커버 판 및 인쇄 회로 기판 상에 장착되는 개스킷을 포함한다. 빗방울이 인쇄 회로 기판으로부터 흘러 내리도록 인쇄 회로 기판이 기울어져 있다.
또 다른 예시에서, 센서는 온실, 아트리움, 창, 냉동고 유리문, 천창 상에서; 비행기, 헬리콥터 상에서; 음식 서비스, 냉동고/냉장고, 우주선, 건물에서; 조경, 가령, 잔디 및 정원 유지관리, 수확을 위해; 또는 날씨 결정, 기후, 생태계 보존을 위해; 또는 의료 목적 및 조직 및 세포의 저장, 살균을 위해; 또는 음식 제조 및 보존을 위해 사용된다.
또 다른 예시에서, 센서는 트럭, 자동차, 모터 바이크, 레저용 차량, 열차, 또는 보트를 포함하는 전동 수송수단 상에 사용되도록 장착된다.
또 다른 예시에서, 센서는 태양광 패널 상에서 사용되도록 장착된다.
또 다른 예시에서, 센서는 구유형 반사기 상에서 사용되도록 장착된다.
또 다른 예시에서, 센서는 조경, 잔디 및 정원 유지관리, 농업, 수확 또는 관수를 위한 스프링클러 시스템에 대해 유용하다.
또 다른 예시에서, 센서는 태양광 패널 자가 세정 장치와 함께 사용되도록 장착된다.
또 다른 예시에서, 센서는 램프 세정 장치와 함께 사용되도록 장착된다.
본 발명이 쉽게 이해될 수 있도록, 실시예들이 다음의 도면에서 예시로서 도시된다.
도 1은 강우 센서의 분해 투시도이다.
도 2는 복수의 전기 전도성 스트립 및 저항기를 나타내는 회로도이다.
도 3은 빗방울이 2개의 센서 전도성 스트립들을 연결하는 것을 도시한다.
센서 및 이의 이점의 추가 상세사항이 이하의 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다.
도 1 및 2를 참조하면, 강우 강도 센서(rain intensity sensor)가 일반적으로 10으로 도시되며 인쇄 회로 기판(16) 상에 장착되는 실링 개스킷(sealing gasket)(14)을 갖는 커버 판(cover plate)(12)을 포함한다. 상기 실링 개스킷(14)은 회로(19) 위에 위치하는 창(18)을 둘러 싼다. 도시된 바와 같이, 상기 회로(19)는 복수의 전기 전도성 스트립(요소)(20)과 직렬로 연결된 복수의 저항기(22)를 포함한다. 상기 전기 전도성 스트립(20)은 복수의 비-전기 전도성 갭(24)에 의해 서로 이격되어 있다. 센서(10) 상으로 떨어지는 빗방울이 상기 전기 전도성 스트립(20) 및 이들 사이의 갭(24)과만 접촉하게 하도록 창(18)은 전기 전도성 스트립(20) 및 갭(24)의 각각의 부분 위에 위치한다. 상기 전기 전도성 스트립(20) 및 저항기(22)는 비-전기 전도성 물질 상에 장착된다. 적절한 비-전도성 물질의 예로는, 유리, 세라믹, 플라스틱 등이 있다. 상기 전기 전도성 스트립(20)은 전도성 접착체, 인쇄 회로 전도성 영역, 박막 증착 전도체 등에 의해 장착되는 전도성 포일일 수 있다. 상기 전기 전도성 스트립(20)은 도시된 바와 같이 직선형이거나, 나선형, 파동형(wave), 지그재그(zig zag)형 등일 수 있다. 해당 분야의 통상의 기술자에게 알려진 추가 장치 및 회로, 가령, 케이블링, 전압 서플라이, 접지, 신호 버퍼링, 사용자 통신, 강우 센서 및 온도 센서 신호 프로세싱을 위한 기능부가, 필요에 따라, 회로에 추가될 수 있다.
해당 분야의 통상의 기술자라면 강우 강도 센서(10)가 임의의 형태의 태양광 패널 및 구유형 반사기(trough reflector) 기술과 함께 사용될 수 있음을 쉽게 알 것이다. 구체적으로, 강우 강도 센서(10)가 본 발명자의 태양광 패널 자가 세정 장치(Solar Panel Autonomous Cleaning Device), 및 태양광 기반 기술과 함께 사용되는 램프 세정 장치(Ramp Cleaning Device)와 함께 사용될 수 있으며, 이들은 함께 출원된 미국 특허 출원에 기재되어 있고, 이의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
도 2를 특정하게 참조하여, 회로(19)는, 전기 전도성 스트립 중 하나(20A)가 제 2 저항기(28), 상기 제 2 저항기(28)와 상기 전기 전도성 스트립(20A) 사이에 연결된 전압 탭(30), 접지(32) 및 하나 이상의 저항기(22)의 직렬 저항과 직렬 연결된 분압기(voltage divider)이다. 제 2 저항기(28)는 이에 인가되는 기준 전압(34)을 수신하도록 위치한다.
다시 도 2를 참조하고 도 3을 참조하면, 하나의 저항기(22)와 서로 이격된 전기 전도성 스트립(20) 중 적어도 두 개가 직렬로 전기 연결되어 있다. 상기 저항기(22)는 2개의 전도성 스트립(20) 사이에 위치한다. 전도성 스트립(20)들을 연결하면서 접촉하고 있는 빗방울(36)이 이들 사이에, 저항기(22)와 전기적으로 병렬인 빗방울 저항 경로(38)를 제공하도록 전도성 스트립(20)들은 서로 충분히 이격되어 있다. 빗방울(36)이 전도성 스트립(20)들 중 적어도 2개와 접촉할 때 이들 사이의 저항이 저항기(22)와 빗방울 저항 경로(38)의 병렬 저항까지로 감소하여 전압 탭(30)을 감소시키도록 센서(10)가 구성된다. 복수의 빗방울(38)이 적어도 2개의 전도성 스트립(22)과 접촉할 때, 전압 탭(30)이 빗방울의 개수의 측정을 가능하게 하도록 더 감소되도록 상기 센서(10)가 구성된다.
도 1을 다시 참조하면, 온도 센서(40)가 제어기(도면에 도시되지 않음)로 전자적으로 연결된다. 상기 온도 센서(40)는 부 온도 계수(NTC, negative temperature coefficient) 저항기, 또는 해당 분야의 통상의 기술자에게 알려진 그 밖의 다른 적합한 온도 센서이다. 상기 전기 전도성 스트립(20)은 인쇄 회로 기판(16)의 하나의 면 상에 장착되며, 반면에 저항기(22), 저항기(28) 및 온도 센서(40)는 인쇄 회로 기판(16)의 다른 한 면 상에 위치된다.
본 명세서에 기재될 때 강우 강도 센서(10)가 재해 통보 시스템과 일체 구성되어, 잠재적인 미끄러움이나 열악한 시야 상태를 사전에 경고함으로써 교통 안전을 개선할 수 있다. 또한 강우 강도 센서(10)는 겨울 강수 센서와 일체 구성되어 모든 기후에서 전면유리 와이퍼 유형 침전물 제거를 제공할 수 있다.
강우 강도 센서(10)는 임의의 여러 적용예, 가령, 온실, 아트리움(atrium, 창, 냉동고 유리문, 천창(skylight)에 대해 사용될 수 있고, 비행기, 헬리콥터, 및 전동 수송수단, 가령, 트럭, 자동차, 모터 바이크, 레저용 차량, 열차, 보트 등 상에서 사용될 수 있으며, 음식 서비스, 냉동고/냉동고, 우주선, 건물, 광기전 태양광소자(종래의 패널 및 신규한 태양광 적용예), 구유형 반사기(trough reflector)에 대해 사용될 수 있고, 조경, 가령, 잔디 및 정원 유지관리, 수확을 위해 사용될 수 있거나, 날씨 결정, 기후, 생태계 보존을 위해 사용될 있거나, 의료 및 조직 및 세포 보관, 살균의 경우에 대해 사용되거나, 음식 제조 및 보관 등의 경우에 사용될 수 있다. 특히 상기 센서(10)는 조경, 잔디 및 정원 유지관리, 농업, 수확, 또는 관수를 위한 스프링클러 시스템에 대해 유용하다.
동작
이제 도 2 및 3을 참조하면서, 강우 강도 센서(10)의 동작이 기재될 것이다. (눈이나 얼음은 아닌) 강우 가능성이 있을 때를 결정하도록 온도 센서(40)가 사용된다. 그 후 기준 전압(34)이 저항기(28)에 인가된다. 건조 날씨에서, 탭 전압(30)이 다음의 수학식에 의해 결정된다.
Figure 112015022296304-pct00001
빗방울이 존재할 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 전도성 스트립(20)들 간 저항이 저항기(22)와 빗방울 저항 경로(38)의 병렬 저항까지로 감소되어 탭 전압(30)이 감소될 수 있다. 복수의 전도성 스트립(20)을 연결하는 복수의 동시적 빗방울이 탭 전압(30)을 더 감소시켜 탭 전압(30)이 센서 표면 상의 빗방울의 개수를 효과적으로 측정할 수 있다.
도 1을 참조하면, 센서(10)는 수평에 기울어져 장착된다. 이로 인해서 빗방울이 센서(10)로부터 흘러 내릴 수 있다. 빗방울이 센서(10) 상에 짧은 시간 동안 존재하기 때문에, 일정 주기 동안, 가령, 1분 동안 누적된 빗방울 카운트가 지정 교정 요인이 적용될 때 강우 강도를 효과적으로 측정한다. 긴 시간 동안의 강도를 합산함으로써 누적 강우량이 도출된다.
지금까지의 기재가 본 발명자에 의해 고려된 특정 선호되는 실시예와 관련되었지만, RIS의 광범위한 양태는 본 명세서에 기재된 요소들의 기계적 및 기능적 균등물을 포함한다.

Claims (20)

  1. 강우 강도 센서로서, 상기 센서는
    회로를 포함하며, 상기 회로는
    (i) 제 1 저항기, 및
    (ii) 상기 제 1 저항기로 직렬 연결된 적어도 2개의 서로 이격된 전기 전도성 스트립 - 상기 제 1 저항기는 전도성 스트립들 사이에 위치하고, 상기 전도성 스트립들과 접촉하는 빗방울이 이들 사이에 상기 제 1 저항기와 전기적으로 병렬인 감소된 저항 경로(resistive path)를 제공하도록 상기 전도성 스트립들은 충분하게 이격되어 있음 - 과,
    (iii) 상기 전기 전도성 스트립들 중 하나가 제 2 저항기와 전압 탭에 직렬로 연결된 분압기 - 상기 전압 탭은 제 2 저항기와 각각의 전기 전도성 스트립 사이에 연결되고, 상기 제 2 저항기는, 상기 제 2 저항기에 인가된 기준 전압을 수신하도록 위치되며, 상기 전압 탭은 감소된 저항 경로에 의해 감소되고 센서의 표면 상의 빗방울의 수를 측정함 - 와,
    (iv) 상기 전도성 스트립이 장착된 비-전기 전도성 물질 - 상기 비-전기 전도성 물질은 센서 내에서 수평으로부터의 각도 있게 위치되고, 상기 비-전기 전도성 물질이 회로 내에 존재한 기간 이후에, 상기 각도는, 빗방울이 상기 비-전기 전도성 물질로부터 흘러 내릴 수 있도록 함 - 과,
    (v) 빗방울과 얼음을 구별하도록 작동하는 온도 센서를 포함하여,
    복수의 빗방울이 적어도 2개의 전도성 스트립과 접촉할 때, 빗방울이 회로에 존재하는 기간 동안에, 빗방울의 개수의 측정하여, 강우 강도를 측정하기 위해, 접지에 대한 전압 탭 저항이 감소하는, 강우 강도 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 빗방울이 적어도 2개의 전도성 스트립과 접촉할 때, 이들 사이의 저항이 제 1 저항기와 빗방울 저항 경로의 병렬 저항까지 감소되어 전압 탭에서의 전압이 감소되도록 구성되는, 강우 강도 센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 전도성 요소는 비-전기 전도성 물질의 하나의 면 상에 장착되고, 제 1 및 제 2 저항기가 상기 비-전기 전도성 물질의 다른 하나의 면 상에 위치하는, 강우 강도 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 온도 센서는 상기 비-전기 전도성 물질의 상기 다른 하나의 면 상에 위치되는, 강우 강도 센서.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 복수의 제 1 저항기와 직렬로 전기적 상호연결된 복수의 전기 전도성 스트립을 포함하며, 상기 전기 전도성 스트립은 복수의 갭에 의해 서로 이격되어 있는, 강우 강도 센서.
  12. 제9항에 있어서, 빗방울이 통과하기 위한 오프닝을 가진 커버 판 및 개스킷을 포함하되, 상기 커버 판과 개스킷은 비-전기 전도성 물질 상에 장착되는, 강우 강도 센서.
  13. 삭제
  14. 삭제
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