KR19990032720A

KR19990032720A - 연료량 측정기

Info

Publication number: KR19990032720A
Application number: KR1019970053837A
Authority: KR
Inventors: 박종균
Original assignee: 김명준; 우리산업 주식회사
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-05-15
Also published as: KR100219762B1

Abstract

액체의 수위에 따라 변화되는 공기 압력을 감지하여 연료량을 측정할 뿐만 아니라 용기의 형상에 상관없이 정확하게 연료량을 측정할 수 있는 연료량 측정기로서, 연료탱크의 상면으로부터 저면을 향하여 수직으로 뻗어있는 관부재와, 상기 관부재내의 상부에 마련되어 상기 관부재내의 연료의 수위에 비례하는 공기의 압력을 감지하는 가스압력센서와, 상기 가스압력센서로부터의 출력으로부터 연료량에 비례하는 전기적 신호를 발생시키는 연료량신호변환부를 구비한다.

Description

연료량 측정기

본 발명은 자동차의 연료량 측정기에 관한 것으로서, 특히 액체의 수위에 따라 변화되는 공기 압력을 감지하여 연료량을 측정할 뿐만 아니라 용기의 형상에 상관없이 정확하게 연료량을 측정할 수 있는 연료량 측정기에 관한 것이다.

종래부터 연료량을 측정하는 장치가 개발되어 사용되어 왔다. 그러한 장치의 대표적인 것이 도 8에 도시되어 있다. 도 8의 장치에서는 연료에 뜨개(11)를 띄어놓고 연료의 높이에 따라 저항수단(12)에 접점이 접촉하는 부위가 달라져서 회로내의 저항값이 달라지고, 따라서, 회로내에 흐르는 전류값이 달라진다. 계기판(13)은 회로내의 전류값을 연료량으로 환산하여 보여준다. 즉, 흐르는 전류의 크기에 따라 지침(14)의 위치가 달라지는데, 계기판에 지침의 위치별로 연료량을 미리 표기해두면 연료탱크 내의 연료량을 알 수 있게 되는 것이다. 여기에서, 연료탱크가 직육면체나 원통형처럼 연료수위에 따라 단면적의 변화가 없는 경우에는 뜨개(11)의 높이와 전류값이 비례하면 된다. 그러나, 일반적으로 연료탱크의 형상은 연료수위에 따라 단면적의 변화가 있는 형태를 취하고 있으므로 전류값의 보정이 요구된다. 그 방법으로는 저항수단(12)의 단위길이당 저항치가 연료탱크의 형상에 맞추어 각도에 따라서 변하도록 저항수단(12)의 두께나 폭 등을 보정하는 방법이 일반적으로 사용된다.

그러나, 이러한 방식에서는 뜨개(11)의 위치에 따라 저항수단(12)과 접점이 접촉하면서 그 위치에 따라 저항값이 달라지도록 구성되어 있으므로, 오래 사용하게 되면 저항수단(12)이 마모되어 접촉불량이나 저항값의 변화 등이 생겨서 정확한 액체량을 측정할 수 없게 된다는 단점이 있다. 특히, 연료탱크의 형상에 맞추어 저항수단의 두께나 폭 등을 보정한 경우에는 마모되는 정도가 다르게 되어 연료탱크의 형상에 따른 정확한 연료량 측정이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 이러한 종류의 연료량 측정기는 조립공정이 복잡하여 자동화가 어렵고, 납땜, 저항치 검사 등 조립공수가 많아 생산성을 높이기 어려운 문제점이 있다.

또 상기와 같은 접촉식 연료량 측정기의 단점을 해결하기위해 고안된 것으로서는 공개특허공보 제96-11392호와 공개특허공보 제97-20589호에 개시된 것과 같은 압력식 연료량 측정장치가 있다. 이러한 장치들은 연료탱크의 하부에 설치되어 연료의 무게에 의한 압력을 저항값 또는 정전용량값으로 변환시켜 남아있는 연료량을 측정하도록 되어 있다. 그러나 이러한 장치만으로는 연료탱크의 단면적 변화에 의한 연료량 측정오차를 보정할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 구조가 간단한 연료량 측정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 액체의 수위를 저항값으로 변환하여 측정하는 종래의 접촉식 측정장치에서의 마모에 따른 문제점을 해결한 연료량 측정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용기의 형상에 관계없이 정확한 연료량 측정을 할 수 있는 연료량 측정기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료량 측정기의 구성을 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료량 측정기에서의 연료량 신호 변환장치의 개략회로도,

도 3은 도 2의 연료량 신호 변환장치의 단면적 보정유닛의 일실시예를 보여주는 회로도,

도 4는 도 3의 단면적 보정유닛에서의 각 OP 앰프에서의 입력전압 대 출력전압의 관계를 보여주는 그래프,

도 5는 도 3의 단면적 보정유닛 전체의 입력전압 대 출력전압의 관계를 보여주는 그래프,

도 6은 도 2의 연료량 신호 변환장치의 단면적 보정유닛의 다른 실시예를 보여주는 개략블록도,

도 7은 여러 가지 연료탱크의 형상을 보여주는 도면,

도 8은 종래의 연료량 측정장치를 보여주는 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 연료탱크 2 관부재(tube)

3 가스압력센서 4 연료량신호변환장치

5 연결단자 6 연료

7 단면적 보정유닛 8 A/D 변환기

9 연산부 10 D/A 변화기

11 뜨개 12 저항수단

13 계기판 14 지침

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료량 측정기의 구성을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료량 측정기에서의 연료량 신호 변환장치의 개략회로도이다.

도 1에서 볼 수 있는 것처럼, 본 발명은 연료탱크(1)의 상면으로부터 저면을 향하여 수직으로 뻗어있는 관부재(2)와, 상기 관부재(2)내의 상부에 마련되어 상기 관부재(2)내의 연료의 수위에 비례하는 공기의 압력을 감지하는 가스압력센서(3)와, 상기 가스압력센서(3)로부터의 출력으로부터 연료량에 비례하는 전기적 신호를 발생시키는 연료량신호변환부(4)를 구비하고 있다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 원리는 다음과 같다. 관부재(2)는 연료탱크(1)의 상부에서 바닥면을 향하여 수직으로 뻗어있다. 도 1에서 관부재(2)는 연료(6)의 출입을 위하여 바닥면에서 약간 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 것처럼, 연료수위의 변화는 관부재(2)내의 연료와 압력센서(3) 사이에 갇혀진 공기의 압력 변화로 나타난다. 이 압력변화는 관부재(2)의 상부에 설치된 압력센서(3)에 의해 전기적인 변화로 변환된다. 연료량신호변환부(4)는 이 전기적인 신호를 연료량에 비례하는 값으로 변환시켜서 단자(5)를 통해 출력시킨다. 따라서, 단자(5)로부터는 연료량에 비례하는 전기적 신호가 출력되므로, 이를 이용하여 차량 등의 연료량 계기판에 나타낼 수가 있게 되는 것이다. 단자(5)로부터의 전기적 신호를 사용하여 계기판에 나타내는 방식은 코일과 지침을 사용한 아날로그 방식, 디지털 데이터로 변환시켜 디스플레이하는 방식 등 널리 알려져 있는 여러 가지 방식 중에서 선택하여 사용하면 된다.

도 2에 본 발명의 연료량 신호변환부(4)의 일실시예를 도시하였다. 가스압력센서(3)로서는 다이아프램 첨부형 압력센서나 확산형 반도체 압력센서 등을 사용할 수 있다. 다이아프램 첩부형 압력센서는 가스압력에 의해 미소한 변위의 탄성변형이 가능한 박막 다이아프램과 박막 다이아프램의 변형량을 측정하기 위한 풀브리지(full bridge) 형태의 스트레인 게이지로 구성된다. 확산형 반도체 압력센서는 다이아프램 자체도 반도체로 형성하고 그 표면에 소자를 일체적으로 형성하는 것으로, 양쪽 다 압력의 변화를 저항값의 변화로 변환시킨다는 공통점을 가지고 있다. 이러한 저항값의 변화를 감지하기 위해서, 도 2에서와 같이 압력센서(3)의 입력부에 직류전원을 연결시키고 출력부에 직류증폭기(A1)를 연결시키면, 가스압력의 변화가 압력센서(3)에서 저항값의 변화로 나타나고, 따라서 증폭기(A1) 입력으로의 전압값이 변화되어 증폭기(A1)에서 증폭되어 출력으로 나오게 된다. 이러한 압력센서는 시장에 많이 나와있으며, 예를 들면 데이터 인스트루먼트(Data Instruments)사의 XPX/CPX나 마이크로 스위치(Micro Switch)사의 140PC 시리즈, 요꼬가와 전기의 FP101 등을 사용할 수 있다. 이들중에는 온도보상회로나 증폭회로가 내장되어 있는 것도 있으며, 증폭회로가 내장되어 있는 경우에는 도 2의 증폭기(A1)를 생략하여도 된다.

도 2에서 도면부호 7은 단면적 보정유닛을 나타낸다. 단면적 보정유닛(7)은 탱크의 형상에 따른 단면적의 변화로 인한 가스압력과 연료량과의 차이를 보상해주기 위한 것이다. 즉, 증폭기(A1)의 출력은 단면적 보정유닛(7)의 입력(Vi)으로 들어가서, 단면적 보정유닛(7)에서 단면적의 변화를 보상한 값(Vo)으로 변환되어 출력된다.

먼저, 연료탱크가, 도 7의 (a)에 도시한 것처럼, 전체 높이에 걸쳐 4개의 등간격 구간으로 나뉘어지고 각 구간내에서는 수평 단면적이 일정하다고 가정하자. 이 가정에 의하면, 각 구간에서의 연료수위의 변화량(Δh)과 연료체적의 변화량(ΔV)과의 비례계수를 k_n(n=1...4)이라고 놓을 때, 당해 구간에서의 연료수위의 변화량(Δh)은 ΔV=k_n×Δh로 나타낼 수 있다.

단면적 보정유닛(7)으로 입력되는 전압(Vi)이 0 볼트에서 4 볼트까지 변한다고 가정하면, 연료탱크의 전체 높이를 4개의 등간격 구간으로 나눈다고 가정하였으므로, 전체 구간은 0 볼트에서 1 볼트까지의 제1구간, 1 볼트에서 2 볼트까지의 제2구간, 2 볼트에서 3 볼트까지의 제3구간, 3 볼트에서 4 볼트까지의 제4구간으로 나뉘어진다. 이것을 정리하면, 제1구간에서는 연료수위가 변화함에 따라 k₁의 비율로 연료량이 증가하며, 제2구간에서는 연료수위가 변화함에 따라 k₂의 비율로 연료량이 증가하며, 제3구간에서는 연료수위가 변화함에 따라 k₃의 비율로 연료량이 증가하며, 제4구간에서는 연료수위가 변화함에 따라 k₄의 비율로 연료량이 증가한다. 이것을 그래프로 나타내면 도 5와 같이 된다.

도 3에는 위와 같은 연료탱크에 대한 본 발명의 단면적 보정유닛의 일실시예의 회로도가 도시되어 있다. 이 회로에서 OP 앰프 A2 내지 A5는 각각 이득이 1인 증폭회로를 구성하고 있으며, 제너 다이오드 ZD1 내지 ZD4는 모두 제너전압이 1 볼트이다.

OP 앰프 A2로 구성된 증폭회로에서는, OP 앰프(A2)의 마이너스 입력단자와 출력단자 사이에 1볼트 제너 다이오드가 연결되어 있으므로 입력에 1 볼트 이하의 전압이 걸릴 때, 즉 제1구간에 있어서는 출력이 나오지만, 입력이 1 볼트를 넘어서면 전압 V₁은 -1 볼트로 일정하게 유지되어 도 4의 (a)에 도시한 것과 같은 특성을 보이게 된다.

OP 앰프 A3로 구성된 증폭회로에서는, OP 앰프(A3)의 마이너스 입력단자와 출력단자 사이에 1볼트 제너 다이오드가 연결되어 있고, 또한 여기에 -1 볼트의 오프셋 전압을 가하고 있으므로 입력에 1 볼트 이하의 전압이 걸릴 때, 즉 제1구간에 있어서는 출력전압 V₂가 0 볼트로 고정되고, 입력이 1 볼트 내지 2 볼트일 때, 즉 제2구간에서는 입력에 비례하는 출력이 나오며, 입력이 2 볼트를 넘어서면 전압 V₂는 -1 볼트로 일정하게 유지되어 도 4의 (b)와 같은 특성을 보이게 된다.

OP 앰프 A4로 구성된 증폭회로에서는, OP 앰프(A4)의 마이너스 입력단자와 출력단자 사이에 1볼트 제너 다이오드가 연결되어 있고, 또한 여기에 -2 볼트의 오프셋 전압을 가하고 있으므로 입력에 2 볼트 이하의 전압이 걸릴 때, 즉 제1,2구간에 있어서는 출력전압 V₃가 0 볼트로 고정되고, 입력이 2 볼트 내지 3 볼트일 때, 즉 제3구간에서는 입력에 비례하는 출력이 나오며, 입력이 3 볼트를 넘어서면 전압 V₃는 -1 볼트로 일정하게 유지되어 도 4의 (c)와 같은 특성을 보이게 된다.

OP 앰프 A5로 구성된 증폭회로에서는, OP 앰프(A5)의 마이너스 입력단자와 출력단자 사이에 1볼트 제너 다이오드가 연결되어 있고, 또한 여기에 -3 볼트의 오프셋 전압을 가하고 있으므로 입력에 3 볼트 이하의 전압이 걸릴 때, 즉 제1 내지 제3구간에 있어서는 출력전압 V₄가 0 볼트로 고정되고, 입력이 3 볼트를 넘어설 때, 즉 제4구간에서는 입력에 비례하는 출력이 나오게 되어 도 4의 (d)와 같은 특성을 보이게 된다.

OP 앰프 A6는 OP 앰프 A2 내지 A5까지의 출력전압을 합하는 것으로서, V₁에 대해서는 k₁배로, V₂에 대해서는 k₂배로, V₃에 대해서는 k₃배로, V₄에 대해서는 k₄배로 증폭하도록 각각 입력 저항값을 설정하였다. 따라서, 출력전압 Vo은 Vo = k₁V₁+ k₂V₂+ k₃V₃+ k₄V₄로 나타내어지며, 따라서, 전체적인 특성은 도 5에 도시한 것과 같이 된다.

이상의 설명에서는 연료탱크의 형상이 전체 높이에 걸쳐 4개의 등간격 구간으로 나뉘어지고 각 구각내에서는 수평 단면적이 일정하다고 가정하였으나, 연료탱크의 형상이 바뀌는 경우에는 그에 맞추어 오프셋 전압과 각 구간에서의 비율 k_n을 조정함으로써 대응할 수 있다. 또한, 대부분의 경우에서 그러한 것처럼, 탱크의 형상이 도 7의 (b)에 도시한 것처럼 각 구간에서 약간의 곡면을 형성하고 있어서 각 구간에서 단면적이 같지 않도록 되어 있는 경우에도 그 곡면이 단면적에 영향을 심하게 미치지 않는 경우에는 위와 같은 방법으로 선형비례인 것으로 근사화할 수 있다. 그러나, 도 7의 (c)에 도시한 것처럼 그 곡면의 곡률이 심해서 단면적에 영향을 많이 미치는 경우에는 각 구간을 좀더 세분화하여 측정오차를 줄일 수 있다.

그러나, 탱크의 형상이 도 7의 (d)에 도시한 것처럼 원형에 가깝다든지 하여 측정오차를 줄이기 위해서 구간을 상당히 많이 나누어야 하는 경우에는 필요한 OP 앰프의 수가 증가되어 장치의 면적과 코스트가 증가된다는 단점이 있다.

도 6은 본 발명의 단면적 보정유닛의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다. 도 6은 연료수위의 구간을 더욱 세분화함으로써 도 3의 방법에 비해 측정 정확도를 더 높일 수 있는 디지털 방식의 단면적 보정유닛의 구성을 보여주고 있다. 도 6의 단면적 보정유닛에서는 증폭기로부터의 입력 Vi를 A/D 변환기(Analog-to-digital converter)(8)를 사용하여 디지털 데이터로 변환한 다음, 연산부(9)에서 상기 디지털 데이터로부터 연료탱크의 형상을 고려한 연료량을 계산한다. 상기 계산은 다음과 같은 수식에 따라 행한다.

0 ≤ Vi < V₁

볼트이면

Vo=k₁Vi

,

V₁≤ Vi < V₂

볼트이면

Vo=k₂(Vi-V₁)+k₁V₁

,

V₂≤ Vi < V₃

볼트이면

Vo=k₃(Vi-V₂)+k₂(V₂-V₁)+k₁V₁

,

...

V_n-1≤ Vi < V_n

볼트이면

여기에서 n은 구간의 수이며, 구간 사이의 간격은 등간격일 필요는 없다. 상기 식에 의해 계산된 출력치, 즉 계산된 연료량값은 다시 D/A 변환기(10)에 의해 아날로그값으로 변환된 다음 단자(5)를 통해 출력된다. 이와 같이 연산부(9)에 의해 계산하는 방식을 사용하면, 구간이 많은 경우, 예를 들어 n이 10 이상인 경우라도 OP 앰프를 사용하는 방법과 같이 부품수가 늘어나는 것이 아니므로 필요에 따라 구간을 마음대로 조정할 수 있어서 정확한 측정이 가능해진다. 이것은 특히 도 7의 (d)와 같이 연료탱크의 형상이 유선형이어서 정확한 측정을 위해 구간을 많이 나누어야 하는 경우에 효과가 크다.

연산부(9)는 널리 알려진 기술인 마이크로프로세서를 이용한 축적프로그램 방식을 사용하여도 되고, 논리회로에 의해 하드웨어적으로 구현하여도 된다.

이상 본 발명을 실시예를 예로 들어 예시적으로 설명하였지만, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 개량과 변형이 가능함을 물론이다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 연료량 신호 변환장치와 압력센서를 별도의 부품으로 구성하였으나, 이들을 하나의 반도체칩에 집적할 수도 있다. 또한, 디지털 방식의 단면적 보정유닛(7)에서 연산부(9)로부터의 출력을 D/A 변환하도록 구성하고 있으나, 차량의 연료량 계기판이 디지털 방식인 경우에는 D/A 변환기(10)를 거치지 않고 바로 단자(5)를 통해 연료량 계기판쪽의 회로로 전달되도록 구성하여도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 액체의 수위를 저항값으로 변환하여 측정하는 종래의 접촉식 측정장치에서의 마모에 따른 수명단축의 문제점이 없는 액체량 측정장치가 제공된다. 또한, 구조가 비교적 간단하면서도 측정 오차가 최소화되는 연료량 측정기가 제공된다. 또한, 용기의 형상에 관계없이 정확한 연료량 측정을 할 수 있는 연료량 측정기가 제공된다.

Claims

연료탱크내의 연료량을 측정하는 장치에 있어서,

연료탱크의 상면으로부터 저면을 향하여 수직으로 뻗어있는 관부재와,

상기 관부재내의 상부에 마련되어 상기 관부재내의 연료의 수위에 비례하는 공기의 압력을 감지하는 가스압력센서와,

상기 가스압력센서로부터의 출력으로부터 연료량에 비례하는 전기적 신호를 발생시키는 연료량신호변환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료량 측정기.
제1항에 있어서, 상기 연료량신호변환부는 상기 가스 압력센서로부터의 가스압력치를 연료탱크의 형상에 따라 보정하여주는 단면적 보정유닛을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료량 측정기.
제2항에 있어서, 상기 단면적 보정유닛은 탱크 단면적이 변하는 각 구간마다 해당 구간에서의 압력치 대 연료량의 관계에 비례하는 이득을 가진 증폭회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료량 측정기.
제2항에 있어서, 상기 단면적 보정유닛은 상기 가스압력센서로부터의 출력을 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, 상기 A/D 변환기로부터의 값으로부터 연료탱크의 형상을 보정하는 수식을 계산하여 출력하는 연산기와, 상기 연산기로부터의 출력을 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료량 측정기.