KR20000066329A - 초음파 레벨측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 사용하여 물을 포함하는 액체의 높이를 측정하거나, 어떤 물체로 부터 이격된 거리를 측정하기 위한 레벨측정장치로서, 상세하게는 제어장소와 측정장소가 멀리 떨어져 있는 경우에 필연적으로 수반되는 전력손실과 노이즈에 의해 측정 데이터에 발생하는 오류를 줄일 수 있는 노이즈 왜란을 최소화한 초음파 레벨장치에 관한 것으로,

본 발명은 마이콤의 제어를 받아 일련의 펄스를 일정주기로 출력하는 송신펄스발생기와,

상기 송신펄스발생기로부터 출력되는 구형파의 펄스열을 변조하는 송신변조회로와,

상기 송신변조회로로부터 출력되는 신호를 필터링하고, 이 필터링된 신호를 복조하는 송신복조부와,

상기 송신복조부의 출력신호를 입력받아 상기 초음파송신기에서 초음파를 발생하도록 하는 송신회로와,

상기 초음파수신기에서 수신된 초음파신호를 변조하는 수신 변조회로와,

상기 수신변조회로로부터 수신된 변조파를 필터링하여 복조하는 수신복조부와,

상기 수신복조부에서 복조된 신호에서 상기 마이콤의 제어를 받아, 정상수신파성분만을 추출하고, 이를 디지털신호로 변환하여 상기 마이콤에 전송하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로한다.

Description

초음파 레벨측정장치 {Ultrasonic Wave Level Mesuring Device}

본 발명은 초음파를 사용하여 물을 포함하는 액체의 높이를 측정하거나, 어떤 물체로 부터 이격된 거리를 측정하기 위한 레벨측정장치로서, 상세하게는 제어장소와 측정장소가 멀리 떨어져 있는 경우에 필연적으로 수반되는 전력손실과 노이즈에 의해 측정 데이터에 발생하는 오류를 줄일 수 있는 노이즈 왜란을 최소화한 초음파 레벨장치에 관한 것이다.

초음파레벨장치는 초음파 송신기로부터 방사된 초음파가 장애물에 부딪혀 반사될 때, 초음파 수신기로 반사파를 수신함으로써, 초음파 송·수신기로부터 장애물이 놓여 있는 위치를 산출하는 장치이다. 이와 같은 초음파 레벨장치의 송수신기는 피측정물체인 액체, 고체의 저장장소에 설치되고, 초음파로부터 측정된 거리를 판독하며, 이를 이용하여 여러가지 제어대상을 제어하는 마이콤을 이용한 컴퓨터 시스템은 초음파 송수신기부터 멀리 떨어져 다른 기기와 더불어 중앙통제소 일부를 구성하는 것이 일반적 사용이라 할 수 있다.

도1은 종래의 초음파 레벨장치의 회로구성을 나타내는 블록도이다.

초음파레벨장치는 신호발생 및 판독부(1)와 초음파송수신부(2)로 이루어진다. 또한, 신호발생 및 판독부(1)는 소정의 제어목적을 달성하기 위한 프로그램과 수신된 초음파신호를 판정해서 피측정물의 위치를 산정하기 위한 프로그램에 의해서 운용되는 마이콤(11)과, 마이콤(11)의 제어에 따라 일정수의 펄스를 출력하는 송신펄스발생기(12)와, 초음파송수신부(2)의 신호를 마이콤(11)이 해석할 수 있도록 잔향파들의 노이즈성분등을 제거하는 신호처리부(13)가 구성된다.

또한 초음파 송수신부(2)는 송신펄스발생기(12)로부터 입력된 펄스열에 따라서 발진되어 초음파 주파수를 발생시키고 이를 증폭시키는 송신회로(21)와, 송신회로(21)로 부터 입력된 초음파 주파수대의 신호에 의해 초음파를 발생시키는 초음파 발생기(23)와, 초음파 발생기(23)에 의해서 피측정물(25)에 입사되고, 초음파수신기(25)에 반사되는 파를 수신하기위한 초음파 수신기(22)와 초음파수신기(22)의 진동을 전기적신호로 변환하고, 일 신호가 신호발생 및 판독부(1)까지 전달될 수 있도록 증폭시키는 수신회로(22)로 구성된다.

이와같은 구성의 종래의 초음파 레벨장치의 이상적인 동작을 살펴보면 도2a에 도시된 타이밍도에 도시된 바와같이, 마이콤(11)의 제어를 받아 송신펄스발생기(12)에는 t₁시각에 n번째의 전압V_o의 구형파 펄스가 입력되고, t₂시각에 n+1번째의 구형파가 입력되게 되면 ⅰ)에 도시된 바와 같은 펄스열이 송신펄스발생기(12)로부터 출력된다. ⅱ)에 도시된 바와 같이, 왜란에 의한 노이즈가 없다면 송신펄스발생기(12)로 부터의 출력은 선로의 전압강하와 왜란(distortion)을 무시하면 송신펄스발생기(12)의 출력신호와 동일하게 입력되고, 송신회로(21)의 출력은 입력신호를 초음파주파수로 변조하여 ⅲ)와 같은 송신회로 출력을 초음파송신기(23)에 보낸다. 초음파송신기(23)는 진동자로 구성되어 있기 때문에 초음파송신기(23)에 입력된 펄스기간 동안 보다 장시간동안 여진을 갖고 초음파를 발생시켜 피측정물체(25)에 방사시킨다. 이때, 피측정물체(25)로부터 반사된 반사파는 초음파수신기(24)에 입사되고, 이때 초음파수신기 입력파형을 V)와 같이 t3-t1 만큼 지연신호가 입력된다. 따라서 초음파송수신부(2)와 물체(25) 사이의 거리L은 다음 수학식1에 의해서 결정된다.

수학식1

이때 V_o은 음속이다.

그러나, 현실적으로는 선로의 저항이나 왜란을 무시할 수 없기 때문에 실제적으로 각부에서 발생되는 신호파형은 도2b에 도시된 신호파형과 같다. 도2b의 ⅱ) 송신회로 입력은 선로의 저항에 의하여 전압강하가 발생하기 때문에 신호의 세기가 그 전압강하만큼 약화된다. 또한 왜란 때문에 파의 균일성이 유지되지 못하고 특히 커다란 왜란에 대하여는 점선으로 원과 같이 도시된 부분과 같이 하나의 연속 펄스열을 두 부분으로 분리시킬 수도 있다.

이와같은 ⅱ)에 도시된 바와 같이, 실제의 송신회로의 입력파는 송신회로를 거쳐 초음파송신기(23)에 입력되게 되면, 초음파송신기(23)는 여진현상때문에 두번째 펄스(n+1)는 서로 분리된 2개의펄스열로 형성된 초음파를 피측정물체(25)로 방출한다.

도 2의 (b)의 ⅲ)에 도시된 바와 같이, 송신회로출력파형의 n+1 번째 펄스는 왜란에 의해서 점선의 원구간과 같은 공백을 갖는 두 개의 분리된 펄스를 포함한 초음파 성분으로 분할되고, 초음파송신기(24)로부터 출력되는 초음파는 초음파송신기(24)가 진동구조에 의해서 초음파를 발생시키기 때문에 입력파의 분리된 구간보다 더 큰 분리구간을 갖게 되고, ⅳ)에 도시된 바와 같이, 초음파송신기출력파형과 같이, 여진에 의해서 입력펄스구간보다 긴 잔향부분이 뒤따르게 된다. 또한, 초음파송신기출력파형이 초음파송신기(23)로부터 출력될 때 초음파수신기(24)에는 도2(a)의 U1파형과 같이, 정상적인 반사파(U1)만이 수신되는 것이 아니라 여러요인의 노이즈 성분들이 수신되게 된다. 그 일예로 초음파송신기(23)로부터 초음파수신기(24)로 직접 입력되는 직접파(U2)를 상정할 수 있다. 그러나, 초음파수신기(24)에는 이것 이외에도 일정 시간동안 계속되는 여진에 의한 잔향음에 의한 노이즈등의 다수의 노이즈 성분을 포한하나, 설명을 간략히 하기 위하여 대표적인 노이즈 성분인 직접파(U2)를 예를 노이즈 성분으로 고려한다.

도2(b)의 ⅴ)에 도시된 바와 같이, 초음파수신기의 입력파형중 n번째의 초음파송신기의 출력파에 의한 직접파(U2)는 t_d시점에 입력되고, 정상적인 수신파(이하, 정상수신파라함)는 t₃시점에 수신된다. 그러나, n+1번째의 초음파송신기(23)로부터 송신되는 초음파는 A와 B의 두 개의 파로 분할 되기 때문에 초음파수신기(24)에 수신되는 파형은 매우 복잡한 파형을 갖게 된다. 즉, t_d1시점에서 발생되는 A파형의 직접파의 수신파인 A_d와, t_d2시점에 발생되는 B파형으로부터 발생되는 직접파의 수신파인 B_d파와, t₃₁시점에 A파로부터 발생되는 정상수신파인 A₃₂파와, t₃₂시점에 B파로부터 발생되는 정상수신파인 B₃₂파가 존재하게 된다.

이와 같이, 신호 왜곡현상에 의해서 예기치 않은 복합적인 다수의 파가 발생될 때 수신회로(22)를 거쳐 신호처리부(13)에서 마이콤(11)의 제어를 받아 소정의 수순을 거쳐 직접파들을 제거하고, 정상수신파만을 추출하게 되는 과정을 거치게 된다. 즉, 송신펄스발생기(12)에서 펄스발생된 시점을 기억하고, 이 시점 이후로 수신회로(22)로부터 신호처리부(13)에 입력되는 첫 번째 수신파를 직접파로 인식을 하게되어 제거를 하게 되고, 이후에 전송되오는 수신파를 정상파로 인식을 하게되어 신호처리부(13)에서 마이콤(11)에 전송을 한다. 그러나, A파형의 직접파의 수신파인 A_d와, B파형으로부터 발생되는 직접파의 수신파인 B_d파와, A파의 정상수신파인 A₃₂파와, B파로부터 발생되는 정상수신파인 B₃₂파가 이어져 수신회로(22)를 거쳐 신호처리부에 입력되게 될 때 신호처리부는 B파형으로부터 발생되는 직접파의 수신파인 B_d파를 정상수신파로, A파의 정상수신파인 A₃₂파를 직접파로, B파로부터 발생되는 정상수신파인 B₃₂파를 직접파로 혼동을 일으켜 마이콤(11)에 전송을 하게된다.

이와 같이, 구형펄스를 송신펄스발생기(12)로부터 송신회로(21)에 전송을 하게 되면 신호처리부(13)에 오류를 유발하게 되고, 특히, 송신펄스발생기(12)로부터 송신회로(21)가 현장 여건상 멀리 떨어진 장소에 각각 위치하게 될 때 이러한 현상은 더욱 심화되게 된다. 이러한, 오류를 정정하기 위해서는 별도의 필터링수단이 부착되게 되어 장비가 고가로 되고, 레벨의 신뢰도를 저하시키는 문제점이 있으며, 제어프로그램의 복잡화에 의해서 처리속도 또한 늦어지게 되는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 이러한, 문제점을 치유하고자 안출된 것으로, 신호발생 및 판독부와 초음파송수신부가 멀리 떨어진 경우라도 이 사이에 신호를 정현파에 의해서 변조된 신호를 송수신함으로써 저가이면서 속도가 빠르며 정확한 레벨을 측정할 수 있으며 전력소모가 적은 초음파 레벨측정장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 초음파 레벨장치의 회로구성을 나타내는 블록도이다.

도 2a는 종래의 초음파 레벨장치의 이상적인 타이밍도이다.

도 2b는 종래의 초음파 레벨장치의 왜란을 고려한 타이밍도이다.

도 3은 본 발명의 초음파 레벨장치의 회로블록도이다.

도4는 본 발명의 초음파레벨장치의 타이밍도이다.

상기을 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정의 신호를 받아 초음파송신기로부터 피측정물체에 초음파를 입사시키고, 상기 피측정물체로부터 반사되어 초음파수신기에 수신되는 수신파를 검출하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파레벨장치에 있어서,

마이콤의 제어를 받아 일련의 펄스를 일정주기로 출력하는 송신펄스발생기와,

상기 송신펄스발생기로부터 출력되는 구형파의 펄스열을 변조하는 송신변조회로와,

상기 송신변조회로로부터 출력되는 신호를 필터링하고, 이 필터링된 신호를 복조하는 송신복조부와,

상기 송신복조부의 출력신호를 입력받아 상기 초음파송신기에서 초음파를 발생하도록 하는 송신회로와,

상기 초음파수신기에서 수신된 초음파신호를 변조하는 수신 변조회로와,

상기 수신변조회로로부터 수신된 변조파를 필터링하여 복조하는 수신복조부와,

상기 수신복조부에서 복조된 신호에서 상기 마이콤의 제어를 받아, 정상수신파성분만을 추출하고, 이를 디지털신호로 변환하여 상기 마이콤에 전송하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로한다.

바람직하기로는 변조시의 변조파형은 정현파 또는 여현파인 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직하기로는 상기 송신 복조부는 상기 송신변조회로로부터 전송된 데이터에서 노이즈를 제거하기 위한 필터와 상기 필터에서 필터링된 데이터로부터 복조를 시키는 송신복조회로구성되어져야 한다.

또한, 바람직하기로는 상기 수신복조부는 상기 수신 변조회로로부터 변조되어 전송된 데이터중에 노이즈 성분을 제거하기 위한 수신휠터와 상기 수신휠터에 의해 노이즈가 제거된 데이터를 복조시키는 수신복조회로로 구성된다.

본 발명의 특징중에서 송수신시의 변복조는 어느한쪽만을 선택적으로, 즉, 송신시에만 변복조를 행하고, 수신시에는 변복조를 하지 않는다든지 하는 것은 얼마든지 선택적으로 가능하다 할 수 있으나, 이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예로는 송수신시에 모두 일어나는 것으로 본 발명을 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예를 나타내기 위한 회로 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 신호발생 및 판독부(30)와 초음파송수신부(40)로 이루어진다. 상기 신호발생 및 판독부(30)는 신호를 해석하고, 일정수순에 따라서 제어명령을 각 제어대상에 전송하는 마이콤(11)과, 상기 마이콤(11)의 제어신호에 의해서 일정주기로 일정시간동안 일련의 펄스를 발생하는 송신펄스발생기(12)와, 상기 송신펄스발생기(12)로부터 정현파변조를 일으키는 송신변조회로(31)와, 초음파 송수신부(40)로 입력되는 변조파에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 수신필터(33)와, 필터링된 파를 복조하는 수신복조회로로 구성된 수신복조부(34)와, 수신복조부(34)로 부터 전송되는 신호중에 상기 마이콤(11)의 제어를 받아 직접수신파등을 제거하고 정상 수신파만을 추출하여, 이를 디지털신호로 변환하여 마이콤(11)에 전송하는 신호처리부(13)으로 이루어진다.

또한, 초음파송수신부(2)는 송신변조회로(31)로부터 전송된 신호중에 왜란등에 의해서 왜곡된 부분을 제거하여 원래의 정현파변조의 변조파형으로 복원시키는 송신필터(41)와, 송신필터(41)로 부터의 출력을 복조하여 송신펄스발생기의 출력파형을 복원시키는 복조회로(42)로 구성되는 송신복조부(44)와, 송신복조부(44)의 출력을 전송받아 초음파송신기(23)에서 초음파를 발생시키는 주파수로 발진시키는 송신회로와, 상기 초음파발생기(23)로부터 송신된 초음파가 피측정물체로부터 반사되는 수신파를 수신하기 초음파수신기(24)와 상기 초음파수신기(24)로부터 수신된 신호를 전기적신호로 변환하기 위한 수신회로(22)와, 수신회로(22)로부터 전송된 신호를 정현파변조하여 신호발생 및 판독부(30)에 전송하는 수신변조회로(43)로 구성된다.

이하, 상기 본 발명의 일실시예의 각부분에서의 타이밍도인 도4를 참조로 본 발명의 동작을 살펴보기로 한다.

도4의 ⅰ)에 도시된 바와 같이, 송신펄스발생기(12)에서는 마이콤(11)의 제어신호에 의해 n번째와 n+1번째의 일련의 펄스열을 발생시킨다. 상기 펄스열은 송신변조회로(31)에 의해서 ⅱ)에 도시된 바와 같은 변조파형이 발생되어 송신복조부(44)에 전송된다. ⅲ)에 도시된 바와 같이, 송신복조부(44)의 송신필터(41)에 입력되는 입력파형은 왜란에 의해서 왜곡이 일어나게 된다. 특히 종래기술과 대비시키기 위하여 n+1번째의 입력파형에는 점선의 원형부와 같은 커다란 노이즈가 발생하였다고 가정하였다. 그러나, 정현파는 여러 가지 기 공지된 추정기술에 의하여 원형복구가 가능하고, 필터링의 정확도가 높다할 수 있어, 종래에 이러한 노이즈에 의해서 하나의 입력부분을 두 개의 분리된 파형으로 혼동을 일으키지 않는다. 따라서 ⅳ)에 도시된 바와 같이, 송신필터(41)의 필터링된 파형은 이상적으로 송신변조회로(31)의 출력파형과 동일 형태를 얻을 수 있다. 이와 같은 송신필터(41)의 출력파형으로부터 송신복조회로(42)에 의해서 원래의 송신펄스발생기(12)의 펄스열을 재생할 수 있다. 이 펄스열들은 송신회로(21)에 입력되고, 송신회로(21)에서 초음파 발진주파수로 변환되어 초음파송신기(23)로 전송되고, 초음파송신기(23)에서 피측정물체에 송신된다. 이때 피측정물체는 임의의 액체의 표면이 될 수도 있고, 고체표면이 될 수도 있어, 액위의 레벨을 측정하기 위한 목적이나, 물체간의 이격거리를 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 초음파송신기(23)으로부터 송신된 초음파는 피측정물체에서 반사되어 초음파수신기(24)에 수신되거나, 직접 수신되거나 아니면, 상기 송신기와 여러회 반사되어 그 반사시 마다 일부가 상기 수신기 수신된다. 또한, 초음파송신기(23)의 여진에 의해서 원하지 않는 구간에서도 계속적으로 초음파를 발생시킨다. 레벨을 측정하기 위하여 바람직한 수신파는 초음파송신기(23)으로부터 송신되어 피측정물체에서 반사되어 초음파수신기(24)에 수신되는 것이 가장 바람직하기 때문에 이를 정상수신파라고 일반적으로 호칭한다. 그러고, 이 수신파 이외의 수신파는 노이즈성분으로 처리된다. 본 실시예에서는 문제를 단순화하기 위해서 반사에 의한 수신이 아니라, 초음파송신기(23)으로부터 송신된 초음파가 직접 초음파수신기(24)에 수신되는 노이즈 성분만을 고려하고 이 노이즈 성분을 직접수신파라고 한다. ⅴ)에 도시된 바와 같이, n번째의 초음파송신기(23)로부터 송신된 초음파가 초음파수신기(24)에 수신될 때는 ⅵ)에 도시된 바와 같이, 직접수신파(D_A)와 정상수신파(A)가 수신되고, n + 1 번째로 초음파송신기(23)로부터 송신된 초음파가 초음파수신기(24)에 수신될 때는 직접수신파(D_B)와 정상수신파(B)가 수신되어, 수신회로(22)에서 전기적신호로 전환된다.

또한, 수신변조회로(43)에서 ⅶ)에 도시된 바와 같이, 정현파변조된 변조신호는 수신필터(33)로 전송된다. 수신필터(33)에서는 전송중에 왜란에 의한 노이즈성분을 제거하고 송신복조회로(34)에 의해서 복조되고, 신호처리부(13)에서 마이콤(11)의 제어를 받아 데이터가 처리되고, 이 처리된 데이터는 마이콤(11)에 전송되어 내장프로그램에 의해서 레벨을 산출하게 된다. 신호처리부(13)는 마이콤(11)의 제어를 받아 입력되는 신호가 정상수신파인지, 직접수신파인지를 검출하고 직접수신파를 제거하여 디지털신호로 변환하여 마이콤(11)에 전송한다.

상기 본 발명의 설명에서, 증폭부등 본 발명의 본질과 관계없는 부수적인 회로부분에 대하여는 설명을 생략하였지만, 이로 인하여 본 발명의 본질이 훼손되는 것이 아니라, 본 발명은 후술되는 특허청구범위에 의하여 규정된다.

이와 같은 본 발명의 구성과 동작에 의하면 신호발생 및 판독부와 초음파송수신부가 멀리 떨어진 경우라도 이 사이에 신호를 정현파에 의해서 변조된 신호를 송수신함으로써 왜란에 약한 구형파를 전송함으로써 판독시 오류가 일어나는 현상을 방지할 수 있어, 정확한 피측정물체의 위치 또는 레벨을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 발생하는 센서 즉, 초음파송신기와 수신기가 멀리 떨어져 있는 경우라고 하여도 데이터를 집중관리화할 수 있어, 효율적인 관리가 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 피측정물체의 레벨을 근거로 멀리 떨어진 다른 제어대상을 제어할 때, 마이콤을 피측정물체로부터 멀리 떨어져서도 용이하게 송수신할 수 있기 때문에 제어대상의 위치에 구애를 받지 않고 부지를 효율적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 소정의 신호를 받아 초음파송신기로부터 피측정물체에 초음파를 입사시키고, 상기 피측정물체로부터 반사되어 초음파수신기에 수신되는 수신파를 검출하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파레벨측정장치에 있어서,

   마이콤(Micro Computer)의 제어를 받아 일련의 펄스를 일정주기로 출력하는 송신펄스발생기와,

   상기 송신펄스발생기로부터 출력되는 구형파의 펄스열을 변조하는 송신변조회로와,

   상기 송신변조회로로부터 출력되는 신호를 필터링하고, 이 필터링된 신호를 복조하는 송신복조부와,

   상기 송신복조부의 출력신호를 입력받아 상기 초음파송신기에서 초음파를 발생하도록 하는 송신회로와,

   상기 초음파송신기에서 발생된 초음파를 수신하는 초음파수신기와,

   상기 초음파수신기로부터 발생된 신호를 전기적신호로 전환하는 수신회로와,

   상기 수신회로에서 전송되는 신호중 상기 마이콤의 제어를 받아, 정상수신파성분만을 추출하고, 이를 디지털신호로 변환하여 상기 마이콤에 전송하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 레벨측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 레벨측정장치는

   상기 수신회로와 상기 신호처리부사이에 연결되는

   상기 수신회로에서 수신된 초음파신호를 변조하는 수신 변조회로와,

   상기 수신변조회로로부터 수신된 변조파를 필터링하여 복조하고, 이 복조된 데이터를 상기 신호처리부에 전송하는 수신복조부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 레벨측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 변조파는 정현파에 의하여 변조가 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 레벨측정장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 송신 복조부는 상기 송신변조회로로부터 전송된 데이터에서 노이즈를 제거하기 위한 필터와 상기 필터에서 필터링된 데이터로부터 복조를 시키는 송신복조회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 레벨측정장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 수신복조부는 상기 수신 변조회로로부터 변조되어 전송된 데이터중에 노이즈 성분을 제거하기 위한 수신휠터와 상기 수신휠터에 의해 노이즈가 제거된 데이터를 복조시키는 수신복조회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 레벨측정장치.