KR200283536Y1

KR200283536Y1 - 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계

Info

Publication number: KR200283536Y1
Application number: KR2020020011954U
Authority: KR
Inventors: 윤용수
Original assignee: 윤용수
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2002-07-26

Abstract

본 고안은 토양 내 간극의 수압을 측정하는 간극수압계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고감도의 다이아프램과 정밀한 반도체 웨이퍼로 구성되어 열악한 건설현장에도 정밀한 계측이 가능한 반도체를 이용한 간극수압계에 관한 것이다.

본 고안에 따르면, 측면에 오링이 끼워진 원기둥 형상의 반도체형 압력센서가 스테인레스 스틸로 형성된 관형의 케이스 내부에 절연체인 에폭시의 충진으로 고정된 인쇄 회로 기판에 접속되고, 인쇄 회로 기판에 접속된 신호선이 케이스의 일측단을 통해 인출되며, 필터가 케이스의 일측 개구부에 삽입되어 구성된 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계가 제공된다.

Description

반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계{A piezometer using semi-conductor pressure sensor}

간극수압계는 산업전반에 걸쳐서 응용분야가 매우 넓고 특히 토목 공사에 있어서는 개착 및 굴착을 위한 배수현황과, 굴착이나 성토시 안전율 결정을 위한 간극수압과, 강이나 저수지 및 우물의 수위와, 댐이나 인공호수 및 제방의 지하수의 흐름 및 누수를 모니터하는데 사용된다.

상기의 다양한 기능을 하는 통상의 진동현식 간극수압계(Vibrating Wire Piezometer)는 다이어프램과 이의 일측에 긴장되게 고정된 진동현 및 전자기 코일에 의하여 수압을 진동 신호로 변환시킨다. 즉, 일측단에 밀봉되어 압력 변환기를 구성하는 압력에 민감한 다이어프램의 일측에 진동현이 긴장되게 부착된 구조를 가지므로, 압력의 변화에 따라 다이어프램이 변형되고 이에 따라 진동현의 장력도 변화하게 된다. 장력에 따라 고유한 자유 진동수가 달라지므로, 상기 진동현의 장력의 변화만큼 진동현의 자유 진동수가 변화된다. 따라서 압력 변화에 의하여 다이어프램이 변형되고 이에 의하여 진동현의 장력이 변화되는데, 진동현은 장력에 따라 다른 고유 진동수를 가지게 된다. 따라서, 진동현의 고유 진동수를 판독하면 압력을 알 수 있게 되는 것이다.

그러므로, 판독기나 데이터 로거(data-logger)가 전자기 코일을 여자시키면 압력에 의해 장력이 결정된 진동현은 그의 장력에 따른 고유한 자유 진동수로 진동을 하게 되고, 이의 진동수를 판독기나 데이터 로거(data-logger)가 측정함으로써 압력을 측정할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 진동현식 간극수압계는 초기 측정값이 떨리고 불안정한 영점 편차(zero drift)가 생기는 문제점이 있고, 압력 증감에 따른 히스테리시스현상이 심한 문제점이 있으며, 온도 변화에 의한 진동현의 팽창으로 측정치의 보정이 필요한 문제점이 있고, 충격에 의해 진동현이 쉽게 손상되는 문제점이 있다.

본 고안의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 반도체형 압력센서를 간극수압계에 적용시켜 압력 증감에 따른 히스테리시스 현상이 없고, 영점 편차(zero drift)가 없으며, 온도 보정이 필요 없고, 빠른 응답 속도와 정밀도가 높은 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계를 제공함에 있다.

도 1은 본 고안의 일부를 절개한 전체 사시도

도 2는 본 고안의 회로도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 오링 2 : 반도체형 압력센서 3 : 케이스

4 : 에폭시 5 : 신호선 6 : 필터

7 : 압저항체 회로 8 : 압력전송장치 회로 9 : 보호 회로

10 : 압저항체 100 : 간극수압계

이하 본 고안의 구성 및 작용을 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 일부를 절개한 전체 사시도로서, 측면에 오링(1)이 끼워진 원기둥 형상의 반도체형 압력센서(2)가 스테인레스 스틸로 형성된 관형의 케이스 (3) 내부에 절연체인 에폭시(4)의 충진으로 고정된 인쇄 회로 기판(PCB)에 접속되고, 인쇄 회로 기판(PCB)에 접속된 신호선(5)이 케이스(3)의 일측단을 통해 인출되며, 필터(6)가 케이스(3)의 일측 개구부에 삽입되어 있음이 도시되어 있다.

도 2는 본 고안의 회로도로서, 압저항체 회로(7)와, 압저항체 회로(7)에서 출력된 전압을 4~20mA의 전류로 변환하여 출력하는 압력전송장치 회로(8)와, 서지 전압으로부터 회로를 보호하는 정전압 다이오드(Surge protect)와 고주파 노이즈를케이스를 통하여 땅속으로 방출시키는 고주파 노이즈 필터(EMC filter)로 구성된 보호 회로(9)가 도시되어 있다.

도면중 미설명 부호 10은 반도체형 압력센서(2)를 구성하는 압저항체이고, 100은 수압을 측정하는 간극수압계이다.

상기와 같이 반도체형 압력센서(2)로 구성된 본 고안의 간극수압계(100)는 압저항체(10)를 이용함으로써 히스테리시스가 없고 온도 및 대기압의 영향에서 벗어날 수 있어 정밀한 계측이 가능하게 된다.

도 1과 같은 본 고안의 간극수압계(100)는 천공된 구멍에 일정 심도로 삽입되어 토양 속에 작용하는 수압을 측정하여 배수현황이나 개착이나 굴착의 안전율 등을 결정하게 되는데, 그 작용은 다음과 같다.

즉, 다이어프램의 가장자리에 위치된 압저항체에 압력이 가해지면 다이어프램이 안으로 휘게되고, 이 때 다이어프램의 가장자리에 가장 높은 인장 응력를 받게 된다. 이 인장 응력은 가장자리에 있는 압저항체에 전달되게 되고, 압저항체는 압저항 효과에 의하여 기계적 응력의 양에 비례하여 저항값이 변화하게 된다.

도 2의 압저항체 회로(7)에 도시된 바와같이 4개의 압저항체 RL1, RL2, RT1, RT2는 휘스톤 브릿지를 구성하고 있는데 이는 민감도를 높이고 자기보정을 하기 위함이다. 외부 압력이 응력으로 작용하여 휘스톤 브릿지로 구성된 압저항체 RL1, RL2, RT1, RT2에 저항 변화를 일으켜 출력의 변화가 생기고, 이는 압력전송장치 회로(8)에서 전류로 바뀌게 되며, 이를 판독하여 압력을 측정하게 된다.

반도체형 압력센서(2)는 온도에 민감하기 때문에 온도 변화에 대하여 센서의오프셋(Offset) 및 감도가 안정되도록 브릿지 구조의 센서 주변에 병렬 및 직렬 저항(R1, R2, R3, R4)을 추가하여 온도에 의한 저항값의 변화를 상쇄시키도록 구성하였다.

그리고, 보호 회로(9)에는 낙뢰나 고전압의 유기에 의한 서지 전압을 센서 회로 내부로 전달되지 않고 양극의 와이어를 통하여 전류가 흘러가도록 정전압 다이오드(Surge protect)를 설치하였고, 센서 주변에 존재하는 각종 전자파가 압력전송장치 회로(8)의 연결 와이어를 통하여 센서 회로에 직접적인 영향을 주는 것을 방지하기 위하여 고주파 노이즈를 케이스(3)를 통하여 땅속으로 방출시키는 고주파 노이즈 필터(EMC filter)를 설치하였다.

상기와 같이 본 고안은 종래의 진동현식 간극수압계(100)에 비하여 반도체형 압력센서(2)가 가지는 장점과 더불어 본 고안의 특징인 보호 회로(9)에 의하여 높은 안정도와 정밀도를 가지게 된다.

이와같이 본 고안은 반도체형 압력센서(2)를 간극수압계(100)에 적용시켜 압력 증감에 따른 히스테리시스 현상이 없고, 영점 편차(zero drift)가 없으며, 온도 보정이 필요 없고, 빠른 응답 속도와 정밀도가 높은 효과가 있다.

Claims

수압을 측정하는 간극수압계(100)에 있어서, 측면에 오링(1)이 끼워진 원기둥 형상의 반도체형 압력센서(2)가 스테인레스 스틸로 형성된 관형의 케이스(3) 내부에 절연체인 에폭시(4)의 충진으로 고정된 인쇄 회로 기판(PCB)에 접속되고, 인쇄 회로 기판(PCB)에 접속된 신호선(5)이 케이스(3)의 일측단을 통해 인출되며, 필터(6)가 케이스(3)의 일측 개구부에 삽입되어 구성됨을 특징으로 하는 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계.
제 1항에 있어서, 반도체형 압력센서(2)는 휘스톤 브릿지 구조의 압저항체 (10)에 저항(R1)(R2)(R3)(R4)이 병렬 또는 직렬로 접속되어 구성됨을 특징으로 하는 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계.
제 1항에 있어서, 인쇄 회로 기판(PCB)은 압저항체 회로(7)와, 압저항체 회로 (7)에서 출력된 전압을 4~20mA의 전류로 변환하여 출력하는 압력전송장치 회로(8)와, 상기 회로를 보호하는 보호 회로(9)로 구성됨을 특징으로 하는 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계.
제 3항에 있어서, 보호 회로(9)는 서지 전압으로부터 회로를 보호하는 정전압 다이오드(Surge protect)와 고주파 노이즈를 케이스(3)를 통하여 땅속으로 방출시키는 고주파 노이즈 필터(EMC filter)로 구성됨을 특징으로 하는 반도체형 압력센서를 이용한 간극수압계.