KR102633940B1 - 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액위센서를 전극에서 발생하는 기전력을 카본 마이크로 코일을 포함하는 기전력 증폭층에서 증폭시킬 수 있는 구조로 개선하여 액위 센서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있고, 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지하여 액체의 빙결 상태 해소를 위한 히팅 기능을 수행할 수 있도록 한 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치을 제공하고자 한 것이다.

Description

차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치 및 방법{Device and method for monitoring liquid level of liquid storage tanks for vehicle}
본 발명은 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체 저장탱크 내에 저장되는 액체의 액위를 정확하게 센싱할 수 있고, 액체의 빙결 상태를 모니터링하여 액체의 히팅을 유도할 수 있도록 한 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치에 관한 것이다.
차량에는 엔진을 구동하기 위한 연료부터 워셔액, 브레이크액 등 서로 다른 성분과 목적을 갖는 다양한 액체가 사용되고 있으며, 각 액체의 교환이나 보충 주기는 각각 다르게 설정되어 있다.
상기 액체의 교환이나 보충을 위하여 액체 소모에 따른 액위를 센싱하는 방법이 사용되고 있다.
상기 액체의 액위를 센싱하는 방법으로는 부력을 갖는 봉(블록)을 이용한 방식, 전극봉을 이용한 방식, 리드 스위치를 이용하는 방식, 정전용량변위를 이용하는 방식 등이 있다.
상기 부력의 특성을 이용한 액위 센싱 방식은 가장 많이 사용하는 방식으로서, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 액체 저장탱크(1) 내에 부력 봉(2)이 저항(3)과 접촉 가능하게 장착된 상태에서 액위 변화에 따른 부력 봉(2)의 움직임에 따라 저항(3)의 접접이 변화하는 가변저항을 이용하여 액위를 센싱하는 방식을 말한다.
상기 전극봉을 이용한 방식은 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 액체 저장탱크(1)의 소정 위치에 한 쌍의 전극봉(4)이 이격 배치된 상태에서 전극봉(4)에 대한 전압 인가시 액체(전도성)을 매개로 각 전극봉(4) 간에 흐르는 전류를 기초하여 액위를 센싱하는 방식을 말한다.
상기 정전용량변위를 이용한 액위 센싱 방식은 크게 봉 타입과 전극 타입으로 구분되며, 도 3에 도시된 바와 같이 봉 타입은 액체 저장탱크(1) 내에 봉(5)이 삽입된 상태에서 봉(5)이 닿는 액위 변화에 따라 정전용량이 변하는 특성을 이용하여 액위를 센싱하는 방식을 말하고, 도 4에 도시된 바와 같이 전극 타입은 패드 형태의 단일 전극(6) 또는 다중 전극(7)을 액체 저장탱크(1)의 외면에 부착하여 액체와 직접 접촉하지 않는 비접촉 상태에서 정전용량 변화를 이용하여 액위를 센싱하는 방식을 말한다.
그러나, 상기한 종래의 액위 센싱 방법은 액체 저장탱크 내의 액체가 빙결되는 경우 액위를 정확하게 센싱하지 못하는 공통적인 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 액위센서를 전극에서 발생하는 기전력을 카본 마이크로 코일을 포함하는 기전력 증폭층에서 증폭시킬 수 있는 구조로 개선하여 액위 센서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있고, 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지하여 액체의 빙결 상태 해소를 위한 히팅 기능을 수행할 수 있도록 한 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 전극과, 상기 전극에서 발생하는 기전력을 증폭시키도록 전극의 일면에 코팅되는 기전력 증폭층으로 구성되어, 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 장착되는 액위센서; 상기 액위센서의 센싱값을 원하는 값의 형태로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 신호 변환부의 신호를 받아 표시 가능한 형태로 출력하는 제어기; 를 포함하여 구성되고, 상기 기전력 증폭층은 다수의 카본 마이크로 코일이 절연성 페이스트와 혼합되어 전극의 일면에 도전 가능하게 코팅된 것임을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: 전극의 일면에 기전력 증폭층이 코팅된 액위센서를 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 장착한 상태에서 액위센서에서 액체에 대한 수위를 감지하는 단계; 상기 액위센서에서 감지하는 센싱값이 액체 상태의 수위를 감지하는 정상적인 값인지 액체가 빙결된 상태의 수위를 감지하는 비정상적인 값인지를 판정하는 단계; 상기 제어기에서 액위센서에서 감지하는 센싱값이 비정상적인 값으로 판정되면, 액체 빙결을 해소하기 위한 히팅장치를 구동시키는 단계; 및 상기 히팅장치 구동 후 액위센서에서 감지하는 센싱값이 정상적인 값으로 판정되면 히팅장치의 구동을 정지시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 액위센서를 전극과 카본 마이크로 코일을 포함하는 기전력 증폭층을 갖는 구조로 개선하여, 액위 센서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 기전력 증폭층의 페이스트가 액체가 전극이 닿지 않게 하는 전극 보호기능을 수행하여, 전극이 액체와 직접 접촉함에 따른 산화 현상을 방지하여 전극의 수명을 연장시킬 수 있다.
셋째, 액위센서에서 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지하여, 액체의 빙결 상태 해소를 위한 히팅을 유도할 수 있도록 함으로써, 차량의 각종 액체저장탱크 내에 충진되는 액체의 빙결을 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 기존의 액위 센싱 방식을 도시한 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치을 도시한 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 액위센서의 평면 모양을 나타낸 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 액위센서의 장착 방식을 도시한 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 액위센서를 액체 저장탱크의 내부에 장착하는 예를 도시한 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 액위센서를 액체 저장탱크의 외부에 장착하는 예를 도시한 개략도,
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 액위센서의 센싱 특성을 나타낸 개략도,
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 액위센서의 증폭 효과를 도시한 개략도,
도 12는 본 발명에 따른 액위센서의 정밀 센싱을 위한 구조를 도시한 개략도,
도 13은 본 발명에 따른 액위센서의 단순 센싱 구조를 도시한 개략도,
도 14는 본 발명에 따른 액위 모니터링 장치에 히팅 수행을 위한 구성이 더 연결됨을 나타낸 구성도,
도 15는 본 발명의 액위 모니터링 장치에 대한 작동 제어예를 도시한 순서도,
도 16a 및 도 16b는 기존의 정전용량센서가 액체(물)과 얼음 등을 감지할 때의 센싱값을 달리 출력하는 예를 나타낸 그래프,
도 17은 본 발명에 따른 액위센서 배치 구조를 도시한 개략도,
도 18은 액체의 빙결 진행 상태와 연료 보충 상태를 비교한 그래프,
도 19 및 도 20은 본 발명에 따른 액위센서가 액체 빙결 상태를 감지하는 원리를 도시한 도면,
도 21 내지 도 23은 본 발명에 따른 액위센서에 고주파를 인가하여 액위센서의 카본 마이크로 코일에서 발열을 하는 원리를 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치를 나타내며, 도면부호 10은 액위를 감지하기 위한 일종의 정전용량센서인 액위센서를 지시한다.
차량 내에 어떤 종류의 액체 액위를 측정하는냐에 따라 액위센서의 구조 및 센싱 방법이 달라지지만, 본 발명의 액위센서는 기본적으로 카본 마이크로 코일(CMC, Carbon Micro Coil) 또는 CNC(Carbon Nano Coil)를 포함한 정전용량 방식의 센서로 구비된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 액위센서(10)는 전극(12)의 일면에 카본 마이크로 코일(16)과 페이스트(18)가 혼합된 기전력 증폭층(14)이 소정의 두께로 코팅된 구조로 구비된다.
즉, 상기 액위센서(10)는 정전용량을 형성하는 전극(12)과, 이 전극(12)에서 발생하는 기전력을 증폭시키도록 전극(12)의 일면에 코팅되는 기전력 증폭층(14)으로 구성되고, 특히 상기 기전력 증폭층(14)은 전극의 기전력을 증폭시키는 기능을 하는 다수의 카본 마이크로 코일(16)이 절연성 페이스트(18)와 혼합되어 전극(12)의 일면에 코팅된 것이다.
이때, 상기 액위센서(10)의 평면 형상은 도 6에서 보듯이, 원형 또는 사각형 패드, 안테나 형태, 지그재그 형태, 빗 형태 등 기전력을 발생시킬 수 있는 다양한 형태로 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)는 단일 센서 또는 다수개의 채널로 구분된 복수 센서로 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 액위 모니터링 장치는 상기 액위센서(10)의 센싱값을 원하는 값의 형태로 변환하는 신호 변환부(20)와, 이 신호 변환부(20)의 변환 신호를 받아 디스플레이 등에 표시 가능한 신호 형태로 출력하는 제어기(30)를 포함하여 구성된다.
위와 같이 구비된 액위센서(10)는 첨부한 도 6에서 보듯이, 액체 저장탱크(40)의 액위를 감지할 수 있는 위치로서, 액체 저장탱크(40)의 내벽 또는 외벽에 통상의 접착수단을 매개로 장착되거나 액체 저장탱크(40)의 내부에 삽입 배치될 수 있다.
본 발명의 액위센서(10)가 액체 저장탱크 내에 장착되는 경우 전극(12)은 액체 저장탱크(40)의 내벽에 밀착되는 동시에 기전력 증폭층(14)의 페이스트(18)에 의하여 커버링되며 보호되는 상태가 된다.
구체적으로, 상기 본 발명의 액위센서(10)가 액체 저장탱크 내에 장착되는 경우, 전극(12)이 액체와 접촉하는 것이 아니라 전극(12)의 일면에 코팅된 기전력 증폭층(14)이 직접 접촉하게 되므로, 기전력 증폭층(14)의 페이스트(18)에서 카본 마이크로 코일(16)을 액체로부터 보호하는 동시에 전극(12)을 보호하는 역할을 하게 되며, 이에 전극이 액체와 직접 접촉함에 따른 산화 현상을 방지하여 전극의 수명을 연장시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 액위센서(10)를 신호 변환부(20) 및 제어기(30)를 구성하는 회로 부품을 포함하는 기판(PCB, Printed Circuit Board)과 모듈화시켜서 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 장착할 수 있다.
구체적으로, 상기 액체 저장탱크(40)의 내부에 액위센서(10)를 장착하는 경우, 도 8a에서 보듯이 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)에 기판(PCB)을 적층 부착하여 액체 저장탱크(40)의 내벽에 장착할 수 있고, 또는 도 8b에서 보듯이 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)에 기판(PCB)을 적층 부착하여 액체 저장탱크(40)에 형성된 홀의 내부에 삽입 장착할 수 있으며, 또는 도 8c에서 보듯이 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)만을 액체 저장탱크(40)내에 삽입하고 기판(PCB)을 액위센서(10)와 신호 교환 가능하게 연결하면서 액체 저장탱크(40)의 외부에 배치시킬 수 있다.
또한, 상기 액체 저장탱크(40)의 외부에 액위센서(10)를 장착하는 경우, 도 9a에서 보듯이 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)에 기판(PCB)을 적층 부착하여 액체 저장탱크(40)의 외벽에 몰딩 또는 융착 등의 방법으로 장착할 수 있고, 또는 도 9b에서 보듯이 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)를 액체 저장탱크(40)의 일부 외표면에 장착시킴과 함께 액위센서의 외면에 보다 큰 면적의 기판(PCB)을 적층 부착할 수 있으며, 또는 도 9c에서 보듯이 전극(12)과 기전력 증폭층(14)으로 구성된 액위센서(10)를 액체 저장탱크(40)의 외표면에 부착함과 함께 액위센서의 측부에 기판(PCB)을 디스플레이와 함께 모듈화시켜 배치시킬 수 있다.
한편, 상기 액위센서(10)는 일종의 정전용량형 센서로서, 전극(12)의 사이즈나 형태에 따라 액체에 대한 유전율 및 캐패시턴스 값의 변화량이 달라지고, 액체의 종류에 따라서도 유전율 및 캐패시턴스 값의 변화량이 달라진다.
본 발명의 액위센서는 기능적으로 두 가지 기능을 수행하는 바, 하나는 수위에 따라 물의 유전율 변화로 수위를 감지할 수 있고(도 10a 참조), 다른 하나는 액체 저장탱크내에 물의 존재 유무를 감지할 수 있다(도 10b 참조).
이러한 액위센서의 감지 특성에 따라 단일 정전용량 센서와 복수 정전용량 센서로 사용할 수 있고, 또한 정밀 측정, 단순 측정, 구조적 특수한 측정 등 사용처에 따라 다양한 크기 및 형상으로 제작 사용할 수 있다.
물론, 본 발명의 액위센서는 기전력을 만들 수 있는 어떠한 형태의 전극도 상관없으나 센싱 성능의 향상을 위하여 상기와 같이 카본 마이크로 코일을 포함하는 기전력 증폭층을 포함하여 구성되어야 한다.
한편, 본 발명의 액위센서는 기존의 정전용량센서의 기본 동작과 같이 전극에 전류를 흘려 기전력이 발생되고, 물체가 센서에 다가왔을 때 변화되는 기전력을 센싱하는 정전용량 방식을 갖는다.
그러나, 첨부한 도 11a 및 도 11b를 참조하면 기존의 정전용량센서에 비하여 본 발명의 액위센서(10)에는 전극(12) 외에 카본 마이크로 코일(16)과 페이스트(18)가 혼합된 기전력 증폭층(14)을 포함하고 있기 때문에 전극(12)에서 발생하는 기전력을 증폭(실질적으로는 카본 마이크로 코일(12)에서 기전력을 증폭시킴)시켜 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 액위센서는 여러개의 센서로 구비되어 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 높이방향을 따라 등간격으로 장착되도록 함으로써, 액위 센싱의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 액위센서(10)를 액체 저장탱크에 장착할 때, 도 12에서 보듯이 여러개의 센서(S1~Sn)를 등간격을 이루며 일렬로 장착하여, 각 액위센서(S1~Sn)의 정전용량 변화를 센싱하고, 각 액위센서(S1~Sn)별로 센싱값을 확인함으로써, 보다 정확하고 정밀도 높은 액위 센싱 성능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 액위센서(10)는 액체 저장탱크(40)의 저수위 위치에 장착되어 액체 보충을 경고하기 위한 단순 센싱 기능(저가형 센서)을 수행하는 용도로 활용될 수 있다.
예를 들어, 첨부한 도 13에서 보듯이 액체 저장탱크의 저수위 기준 위치에 장착되어 액체가 저수위 기준 위치에 도달했음을 감지하여 운전자 경고하는데 사용할 수 있고, 또는 액체 저장탱크의 저부에 형성된 단차 또는 굴곡부에 장착되어 액체가 저수위 기준 위치에 도달했음을 감지하여 운전자 경고하는데 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 액위센서(10)는 액위를 감지하여 표시장치를 통해 운전자에게 경고할 수 있을 뿐만 아니라, 액체의 빙결 상태를 감지하여 빙결상태를 해소하기 위한 액체 히팅 제어가 이루어질 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 14에 도시된 바와 같이 액위센서(10)의 신호를 신호변환기(20)를 통해 수신하는 제어기(30)의 출력측에 표시장치(31)가 연결되는 것 외에 외기 온도센서(33)를 비롯하여 액체 저장탱크 내에 빙결된 액체를 녹일 수 있는 히팅장치(32)가 제어 신호 전달 가능하게 연결된다.
예를 들어, 상기 제어기(30)는 액위센서(10)로부터 액체의 결빙 상태를 확인하는 신호를 수신하면, 표시장치(31) 및 알림음 송출부(34)로 송출하여 운전자 경고를 하는 동시에 워셔노즐 히터(32-1), 호스 장착형 히터(32-2), 리저버 히터(32-3) 등 액체를 녹일 수 있는 히팅 장치(32)에 구동 신호를 명령하게 된다.
여기서, 본 발명의 액위센서에서 액체의 빙결 상태를 감지하는 구성을 살펴보면 다음과 같다.
상기 액위센서(10)의 액위(액체의 수위)를 감지하는데 가장 큰 문제점 중 하나는 액체의 결빙에 있으며, 액체의 결빙 상태가 진행될 경우 액체를 원하는 사용처로 토출시켜 사용할 수도 없지만 액위센서(10)의 고장 원인이 되기도 한다.
이때, 정전용량 센서는 액체의 유전율 변화로 센싱하는 방식이므로 물과 얼음의 다른 유전율에 의해 액체의 빙결을 판단할 수 있지만, 종래의 정전용량센서는 다음과 같은 이유로 액체 빙결 상태의 판단을 할 수 없다.
첨부한 도 16a에 도시된 바와 같이, 종래의 정전용량센서(C1~C3)가 액체 저장탱크(40) 내에 장착된 상태에서 액위 변화가 발생하는 것을 가정하면, 정전용량센서(C1)은 액위가 미치지 않아(닿지 않아) 센서의 기본 센싱값을 갖는 상태이고, 그에 따라 기본 센싱값(도 16a의 그래프에서 실선 참조)을 출력한다.
반면, 상기 정전용량센서(C2)의 중간 높이에 액위가 위치하면, 정전용량센서(C2)는 액위 변화에 따라 일부 변화값(도 16a의 그래프에서 점선)을 출력하고, 최대값(액위 포화)을 출력하지 못한다.
하지만, 상기 정전용량센서(C2)의 중간 높이에 액위가 위치할 때, 액체가 빙결상태이면 얼음의 유전율이 액체의 유전율에 비하여 더 크기 때문에(예, 얼음의 유전율 : 액체(물)의 유전율 = 100 : 80) 정전용량센서(C2)는 센싱값을 최대값(액위 포화)으로 출력하게 된다.
물론, 상기 정전용량센서(C3)가 액체에 잠기면, 정전용량센서(C2)는 액위 변화에 따라 최대값(액위 포화)을 출력한다.
이와 같이, 종래의 정전용량센서는 액체 빙결 상태를 액위 포화 상태로 판정할 뿐, 현재 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지할 수 없다.
더욱이, 첨부한 도 16b의 좌측 그래프를 참조하면 상기 액위센서의 액체 빙결상태에서의 출력값이 최대값(액위 포화)로 감지한 후 주변환경에 의하여 액체의 해동이 진행될 경우 액위센서의 출력값은 점차 낮아지게 되지만, 첨부한 도 16b의 우측 그래프를 참조하면 상기 액위센서의 센싱값이 실제 최대값(액위 포화)인 경우 액체 소모(예, 연료 소모 등)에 따라 액위가 낮아지는 동시에 액위센서의 센싱값도 점차 낮아지게 되므로, 결국 액위센서가 빙결상태에서의 센싱값을 출력하는지를 정확하게 판단할 수 없다.
이를 해소하고자, 본 발명은 액체 상태와 결빙 상태의 유전율 차이를 이용하되, 액위센서의 배치 구조를 통해 액체의 결빙 상태를 정확하게 감지할 수 있고, 이를 통해 액체의 결빙 해소를 위한 히팅 제어가 이루어질 수 있도록 한 점에 또 다른 특징이 있다.
이를 위해, 본 발명의 액위센서를 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분하여 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 배치하거나(도 17의 (a) 참조), V자 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분하여 일렬로 배치하거나(도 17 (b) 참조), 사다리꼴 다각형 구조를 갖는 여러 개의 센서를 엇갈리게 일렬로 배치하거나(도 17 (c) 참조), 직사각형 구조를 갖는 여러 개의 센서를 서로 엇갈리게 2열로 배치하여(도 17 (d) 참조), 액체의 결빙 상태를 정확하게 감지할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 액위센서가 액체 빙결 상태를 감지하는 동작을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 19는 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우와, 단순히 직사각형 형태로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우에 액체 빙결상태 감지 동작을 비교한 도면이다.
본 발명의 액위센서가 단순히 직사각형 형태로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우(도 19의 우측 도면 참조), 액위 조건1(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 반쯤 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결되지 않은 상태에서 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 50%로 감지한다.
이때, 상기 액위 조건1(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 반쯤 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결된 상태이면, 얼음의 유전율이 액체(예, 물)의 유전율에 비하여 높으므로 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 100%로 감지한다.
또한, 본 발명의 액위센서가 단순히 직사각형 형태로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우, 액위 조건2(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 전부 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결되지 않은 상태에서 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 100%(액위 포화)로 감지한다.
이때, 상기 액위 조건2(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 전부 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결된 상태가 되더라도, 제1액위센서(S1)는 액체와 접촉하지 않으므로 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 100%로 감지한다.
이와 같이, 본 발명의 액위센서가 단순히 직사각형 형태로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우에는 제1액위센서(S1)와 제2액위센서(S2)가 액위 조건 1 및 2에 따라 액체 상태와 빙결 상태의 유전율을 감지하는 값이 서로 동일하게 되므로, 액체의 빙결 여부를 구분할 수 없고, 결국 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지할 수 없다.
반면, 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우에는 액체의 빙결 상태 유무를 정확하게 감지할 수 있다.
첨부한 도 19의 좌측 도면을 참조하면, 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우, 액위 조건1(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 반쯤 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결되지 않은 상태에서 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 50%로 감지한다.
이때, 상기 액위 조건1(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 반쯤 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결된 상태이면, 얼음의 유전율이 액체(예, 물)의 유전율에 비하여 높으므로 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 100%로 감지한다.
또한, 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우, 액위 조건2(제1액위센서(S1)는 사선 구조이므로 액체에 반쯤 잠기고, 제2액위센서(S2)가 액체에 전부 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결되지 않은 상태에서 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 약 40%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 100%(액위 포화)로 감지한다.
이때, 상기 액위 조건2(제1액위센서(S1)는 사선 구조이므로 액체에 반쯤 잠기고, 제2액위센서(S2)가 액체에 전부 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결된 상태가 되면, 제1액위센서(S1)는 빙결된 얼음과와 접촉하게 되므로 액체의 유전율을 100%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)도 액체의 유전율을 100%로 감지한다.
이와 같이, 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우, 제1액위센서(S1)와 제2액위센서(S2)가 액위 조건 1 및 2에 따라 액체 상태와 빙결 상태의 유전율을 감지하는 값이 서로 다르게 되므로, 액체의 빙결 여부를 구분할 수 있고, 결국 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지할 수 있다.
첨부한 도 20을 참조하면, 본 발명의 액위센서가 V자 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우와, 본 발명의 액위센서가 사다리꼴 다각형 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우에도 상기한 도 19의 좌측 도면을 참조로 설명한 원리와 같이, 제1액위센서(S1)와 제2액위센서(S2)가 액위 조건 1 및 2에 따라 액체 상태와 빙결 상태의 유전율을 감지하는 값이 서로 다르게 되므로, 액체의 빙결 여부를 구분할 수 있고, 결국 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지할 수 있다.
한편, 상기 액체 저장탱크내의 액체가 빙결된 상태와, 연료 보충중인 상태를 구분할 수 있다.
첨부한 도 18을 참조하면, 액체의 자연적인 빙결 진행 상태와 연료 보충상태에서 T2와 T4 구간의 레벨은 같을 수 있다.
이때, 상기 레벨이 동일할 경우 액위센서에서는 빙결 상태를 판단하기 불가능하지만 센서 값이 상승되는 시간을 추가적으로 판단하면 빙결 진행 상태와 연료 보충 상태를 구분할 수 있다.
즉, 상기 빙결 진행시간(T1)과 연료 보충 시간(T3)을 비교하였을 때, T1의 경우 주변환경 온도가 낮아짐에 따라 연료(액체)가 냉동(결빙)되는 시간이므로 짧은 시간(예 : 5분 이내)이내에 불가능하고, 반면 연료 보충 시간(T3)의 경우 짧은 시간(예 : 5분 이내) 이내에 가능하다.
이에, 상기 제어기에서 액위센서의 센싱 값의 상승 시간 차이(T1과 T3 차이)를 분석하여 연료가 냉동(결빙) 진행 상태인지, 연료 보충 중인 상태인지를 판단할 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 액위 모니터링 장치에 대한 작동 제어예를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 15는 본 발명의 액위 모니터링 장치에 대한 작동 제어예를 도시한 순서도이다.
먼저, 제어기에서 액위센서(10)에서 감지하는 센싱값(유전율)이 정상적인 값인지 비정상적인 값인지를 판정한다(S101).
즉, 상기 액위센서에서 감지하는 센싱값이 액체 상태의 수위를 감지하는 정상적인 값인지 액체가 빙결된 상태의 수위를 감지하는 비정상적인 값인지를 판정한다.
예를 들어, 상기와 같이 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우, 액위 조건1(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 반쯤 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결되지 않은 상태에서 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 50%로 감지하면, 액위센서(10)에서 감지하는 센싱값(유전율)을 정상적인 값으로 판정한다.
반면, 상기와 같이 본 발명의 액위센서가 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구분되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 일렬로 장착된 경우, 액위 조건1(제1액위센서(S1)는 액체에 잠기지 않고, 제2액위센서(S2)가 액체에 반쯤 잠긴 상태)이면서 액체가 빙결된 상태이면, 얼음의 유전율이 액체(예, 물)의 유전율에 비하여 높으므로 제1액위센서(S1)는 액체의 유전율을 0%로 감지하는 동시에 제2액위센서(S2)는 액체의 유전율을 100%로 감지하면, 액위센서(10)에서 감지하는 센싱값(유전율)을 비정상적인 값으로 판정한다.
이때, 상기 제어기에서 액위센서(10)에서 감지하는 센싱값(유전율)이 정상적인 값으로 판정되면, 정상 판정된 센싱값을 액위 모니터링 신호 즉, 표시수단 등에 표시 가능한 신호로 출력한다(S102).
반면, 상기 제어기에서 액위센서(10)에서 감지하는 센싱값(유전율)이 비정상적인 값으로 판정되면, 액체 빙결을 해소하기 위한 히팅 기능이 수행되며, 이때의 히팅 기능 수행은 제어기의 제어 신호에 의하여 히팅장치가 구동되어 이루어진다.
바람직하게는, 상기 히팅 기능 수행 전에 제어기는 외기온도센서로부터 수신되는 현재 외기온도가 액체 빙결이 이루어질 정도의 저온인지를 확인하며(S103), 그 이유는 현재 온도가 액체 빙결이 이루어질 정도가 아님에도 불구하고 액위센서가 비정상적인 값을 출력하는 센싱 오류를 확인하기 위함에 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 히팅 기능 수행 전에 제어기에서 외기온도센서로부터 수신되는 현재 외기온도가 액체 빙결이 이루어질 정도가 아닌 고온으로 판정한 횟수를 카운트하고(S104), 그 카운트 횟수가 기준 횟수 이상을 만족하면(S105), 액위센서의 고장 코드를 출력한다(S106).
상기 단계 S103에서, 현재 외기온도가 액체 빙결이 이루어질 정도의 저온으로 판정되면, 액체 빙결을 해소하기 위한 히팅 기능이 수행되고(S107), 이때의 히팅 기능은 제어기에서 히팅장치에 구동 신호를 전송하여 이루어진다.
예를 들어, 빙결된 액체가 워셔액인 경우 히터장치(32)로서 워셔노즐에 장착되는 워셔노즐 히터(32-1)와, 워셔액이 흐르는 호스에 장착되는 히터(32-2)와, 워셔액이 저장되는 리저버에 장착되는 리저버 히터(32-3) 등이 구동됨으로써, 액체(예, 워셔액)이 용이하게 녹을 수 있다.
한편, 상기 히터장치의 구동 후, 액위센서(10)에서 감지하는 센싱값(유전율)이 정상적인 값으로 판정되거나, 별도로 액위센서 온도를 측정하여 기준온도 이상으로 판정되면(S108), 히팅장치의 구동을 정지시킨다(S109).
또는, 상기 히터장치의 구동 시간을 카운트하여(S110), 기준 카운트를 만족하면(S111), 히팅장치의 구동을 정지시킨다(S112).
한편, 본 발명의 액위센서가 직접 발열을 하여 액체의 빙결상태를 해소시킬 수 있다.
즉, 상기와 같이 액체가 빙결된 상태로 확인되면 히팅장치의 구동을 통해 액체를 녹여 사용 가능한 상태로 만들 수 있지만, 직접적으로 액위센서 자체가 발열을 하여 액체의 빙결을 보다 용이하게 해소시킬 수 있다.
이를 위해, 첨부한 도 22에 도시된 바와 같이 상기 히팅장치의 구동과 함께 상기 제어기(30)에서 액위센서(10)의 전극(12)에 고주파를 인가하고, 도 21에 도시된 바와 같이 액위센서 센싱 동작시에는 저주파를 인가한다.
이때, 상기 액위센서(10)의 기전력 증폭층(14)에 포함된 카본 마이크로 코일(16)은 도 23에 도시된 바와 같이 고주파를 흡수한 후, 흡수된 고주파를 열에너지로 변환시키며 발열을 하는 동시에 열에너지를 외부로 발산하는 특성을 갖는다.
바람직하게는, 도 22에 도시된 바와 같이 상기 액위센서(10)를 구성하는 전극(12) 외에 고주파용 전극(13)을 추가로 전극(12)에 적층 부착하여, 고주파용 전극(13)에서 직접 고주파를 발생시키도록 함으로써, 기전력 증폭층(14)에 포함된 카본 마이크로 코일(16)이 보다 용이하게 고주파를 흡수하여 열에너지로 변환시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 액위센서 자체가 고주파에 의하여 직접적으로 발열을 하여 액체의 빙결을 보다 용이하게 해소시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 액위센서는 전극에서 발생하는 기전력을 카본 마이크로 코일을 포함하는 기전력 증폭층에서 증폭시켜 센싱 감도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 액체의 빙결 여부를 구분하는 동시에 액체의 빙결 상태를 정확하게 감지하여 액체의 빙결 상태를 해소시킬 수 있다.
10 : 액위센서
12 : 전극
13 : 고자파용 전극
14 : 기전력 증폭층
16 : 카본 마이크로 코일
18 : 페이스트
20 : 신호 변환부
30 : 제어기
31 : 표시장치
32 : 히팅장치
32-1 : 워셔노즐 히터
32-2 : 호스 장착형 히터
32-3 : 리저버 히터
33 : 외기 온도센서
34 : 알림음 송출부
40 : 액체 저장탱크

Claims (18)

  1. 전극과, 상기 전극에서 발생하는 기전력을 증폭시키도록 전극의 일면에 코팅되는 기전력 증폭층으로 구성되어, 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 장착되는 액위센서;
    상기 액위센서의 센싱값을 원하는 값의 형태로 변환하는 신호 변환부;
    상기 신호 변환부의 신호를 받아 표시 가능한 형태로 출력하는 제어기;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 기전력 증폭층은 다수의 카본 마이크로 코일이 절연성 페이스트와 혼합되어 전극의 일면에 도전 가능하게 코팅된 것이며,
    상기 제어기에서 액위센서의 전극에 고주파를 인가하여, 카본 마이크로 코일에서 고주파를 흡수하여 열에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 액위센서는 신호 변환부 및 제어기를 구성하는 회로 부품을 포함하는 기판(PCB)와 모듈화되어 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 액위센서는 여러개의 센서로 구비되어 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 높이방향을 따라 등간격을 이루며 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 액위센서는 사선 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구비되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 등간격을 이루며 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 액위센서는 V자 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구비되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 등간격을 이루며 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 액위센서는 사다리꼴 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구비되어 액체 저장탱크의 상하방향을 따라 등간격을 이루며 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 액위센서는 직사각형 구조를 갖는 여러 개의 센서로 구비되어 서로 엇갈리게 2열로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기의 출력측에는 외기 온도센서를 비롯하여 액체 저장탱크 내에 빙결된 액체를 녹일 수 있는 히팅장치가 제어 신호 전달 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 히팅장치는 워셔노즐 히터, 호스 장착형 히터, 리저버 히터 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 액위센서의 전극 타면에 고주파용 전극이 더 부착되는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 장치.
  13. 전극의 일면에 기전력 증폭층이 코팅된 액위센서를 액체 저장탱크의 내부 또는 외부에 장착한 상태에서 액위센서에서 액체에 대한 수위를 감지하는 단계;
    상기 액위센서에서 감지하는 센싱값이 액체 상태의 수위를 감지하는 정상적인 값인지 액체가 빙결된 상태의 수위를 감지하는 비정상적인 값인지를 판정하는 단계;
    제어기에서 상기 액위센서에서 감지하는 센싱값이 비정상적인 값으로 판정되면, 액체 빙결을 해소하기 위한 히팅장치를 구동시키는 단계;
    상기 히팅장치 구동 후 액위센서에서 감지하는 센싱값이 정상적인 값으로 판정되면 히팅장치의 구동을 정지시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 액위센서는 액체와 얼음의 유전율 차이를 기반으로 정상적인 값과 비정상적인 값을 판정하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 히팅장치를 구동시키는 단계 전에 제어기는 외기온도센서로부터 수신되는 현재 외기온도가 액체 빙결이 이루어질 정도의 저온인지를 확인하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어기에서 외기온도센서로부터 수신되는 현재 외기온도가 액체 빙결이 이루어질 정도가 아닌 고온으로 판정한 횟수를 카운트하고, 그 카운트 횟수가 기준 횟수 이상을 만족하면, 액위센서의 고장 코드를 출력하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 히팅장치의 구동 정지 전에 제어기에서 액위센서의 전극에 대하여 고주파가 인가되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 고주파 인가시, 액위센서의 기전력 증폭층에 포함된 카본 마이크로 코일에서 고주파를 흡수하고, 흡수된 고주파를 열에너지로 변환시키며 발열을 하는 것을 특징으로 하는 차량용 액체 저장탱크의 액위 모니터링 방법.
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