KR20030047159A - 압력식 수위 감지 센서 - Google Patents

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Abstract

스트레인 게이지(Strain Gauge)를 이용한 압력식 수위 센서가 개시되어 있다. 센서는 케이스; 그 일부가 외부의 압력을 감지하기 위해 상기 케이스로부터 노출되고, 그 다른 부분은 케이스의 내부에 설치며, 압력에 대응하는 전압 신호를 발생시키기 위한 압력 센서, 전압 신호는 압력에 대해 비선형이며; 케이스의 내부에 설치되며, 압력 센서와 전기적으로 연결된 회로 기판; 케이스의 내부에서 상기 회로 기판과 압력 센서를 고정시키기 위한 지지대; 및 케이스의 타 측면에 형성된 구멍의 입구로부터 연장되며, 그 내부에 전원 공급선, 회로 기판으로부터의 출력되는 신호를 출력하기 위한 출력선, 및 케이스의 내부로부터 연장되어 상기 케이스의 내부에 대기를 공급하기 위해 튜브를 수용하기 위한 안내 관을 포함한다. 여기서, 회로 기판에는 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하고, 선형 보상된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로; 및 증폭 회로로부터의 증폭 신호를 전류 신호로 변환시키기 위한 전압/전류 회로가 형성된다.

Description

압력식 수위 감지 센서{Water Level Sensor Using Pressure Sensor}
본 발명은 수위 센서에 관한 것으로 특히, 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 이용한 압력식 수위 센서에 관한 것이다.
지표수, 지하수 관측 시스템에 사용되는 수위 센서 종류에는 수명이 반영구적인 플로트식, 기포식, 또는 장력식 센서들은 경제적이나 설치시 제약성이 많으므로 설치할 장소의 환경(자연수위, 수위변화폭, 전기사용여부 등)에 따라 적절한 형태로 변형되어 설치되어야 한다. 위 세가지 수위 센서들은 수위 측정 기법이 비교적 단순하여 측정된 수위가 정확하며 가격도 저렴하다는 장점이 있다. 플로트식과 장력식 수위 센서 측정 범위은 통상 10∼20m 정도의 수위로 제한되며, 기포식은 측정 범위는 비교적 넓으나 급격한 수위 변화의 측정이 어렵고 기체 공급을 위하여 별도의 콤프레셔나 고압 가스 통을 설치해야 하는 등의 단점들이 있다.
현재, 가장 널리 보급되고 다양하게 개발되고 있는 방식은 압력식이다. 압력식 수위 센서는 실제 장기간 연속적으로 사용할 때 6개월에 1회정도 교정할 경우상당히 정확한 값을 얻을 수 있는 것으로 알려졌다. 그러나, 이러한 압력식 수위 센서는 다른 측정 방식의 수위 센서에 비해 그 가격이 고가인 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 보다 개선된 압력식 수위 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보다 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 압력식 수위 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력식 수위 센서는 케이스; 그 일부가 외부의 압력을 감지하기 위해 상기 케이스로부터 노출되고, 그 다른 부분은 상기 케이스의 내부에 설치며, 압력에 대응하는 전압 신호를 발생시키기 위한 압력 센서, 상기 전압 신호는 압력에 대해 비선형이며; 상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 압력 센서와 전기적으로 연결된 회로 기판; 상기 케이스의 내부에서 상기 회로 기판과 상기 압력 센서를 고정시키기 위한 지지대; 및 상기 케이스의 타 측면에 형성된 구멍의 입구로부터 연장되며, 그 내부에 전원 공급선, 상기 회로 기판으로부터의 출력되는 신호를 출력하기 위한 출력선, 및 상기 케이스의 내부로부터 연장되어 상기 케이스의 내부에 대기를 공급하기 위해 튜브를 수용하기 위한 안내 관을 포함한다. 여기서, 상기 회로 기판에는 상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하고, 선형 보상된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로; 및 상기 증폭 회로로부터의 증폭 신호를 전류 신호로 변환시키기 위한 전압/전류 회로가 형성된다.
바람직하게는, 상기 압력 센서는 스트레인 게이지 및 브리지 회로로 구성된다. 또한, 상기 증폭 회로는 상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하여 비선형 보상 전압 신호를 발생시키기 위한 차동 증폭 회로부; 상기 차동 증폭 회로부로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호를 증폭하여 소정의 기준 압력에서 소정의 오프셋 전압을 출력시키기 위한 오프셋 회로부; 상기 오프셋 회로부로부터의 오프셋 보정된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로부를 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 증폭 회로는 상기 차동 증폭 회로부로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호로부터 리플을 제거하고, 리플이 제거된 상기 비선형 보상 전압 신호를 상기 오프셋 회로부에 제공하기 위한 리플 제거 회로부를 포함한다. 또한, 상기 증폭 회로는 상기 오프셋 회로부 및 상기 증폭 회로부 사이에 위치한 버퍼 회로부를 더 포함하며, 상기 증폭 회로부로부터 출력되는 상기 증폭 신호로부터 노이즈를 제거하기 위한 필터 회로부를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 압력 센서에서 감지한 압력에 대해 선형성의 전류 신호를 출력하게 됨으로써, 보다 정확한 수위를 감지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력식 수위 센서를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압력식 수위 센서의 내부 구성을 대략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 압력식 수위 센서의 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 압력 센서의 외부 압력에 대한 출력을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 전압 신호에 대한 차동 증폭 회로부의 출력을 도시한 도면이다.
도 6는 도 5에 도시된 차동 증폭부로부터 출력되는 비선형 보상 전압 신호에 대해 오프셋 회로부의 출력을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 오프셋 회로부로부터의 출력에 대한 증폭 회로부의 출력을 도시한 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
110: 케이스 112: 구멍
120: 지지대 130: 튜브
140: 압력 센서150: 전원공급선
160: 출력선170: 안내 관
300: 회로 기판
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력식 수위 센서를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압력식 수위 센서의 내부 구성을 대략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 압력식 수위 센서의 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압력식 수위 센서는 케이스(110), 압력 센서(140), 회로 기판(300), 지지대(120), 및 튜브(130)를 포함한다.
상기 압력 센서(140)는 상기 케이스(110)의 일 측면(111)에 설치된다. 상기 압력 센서(140)의 일부는 외부의 압력을 감지하기 위해 상기 케이스(110)로부터 노출되고, 그 다른 부분은 상기 케이스(110) 내부에 설치된다.
상기 회로 기판(300)은 상기 케이스(110)의 내부에 설치된다. 상기 회로 기판(300)은 그 다수의 신호 처리를 위한 전기적인 회로들을 포함한다. 상기 회로 기판(300)의 회로들에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명한다. 상기 지지대(120)는 상기 케이스(110)의 내부에서 상기 회로 기판(300)과 상기 압력 센서(140)을 고정시킨다.
상기 케이스(110)의 타 측면에는 구멍(112)이 형성된다. 상기 구멍(112)의 입구로부터 안내 관(170)이 연장되며, 상기 안내 관(170)을 통해 외부의 전원 공급선(150)이 상기 케이스(110) 내부로 인입된다. 상기 구멍(112) 및 상기 관(170)을 통해 본 센서의 감지 신호를 출력하기 위한 출력선(160)이 상기 케이스(110)의 내부로부터 외부로 연장된다. 또한, 상기 케이스(110)의 내부에 대기를 공급하기 위해 상기 튜브(130)가 상기 구멍(112) 및 상기 안내 관(170)을 통해 상기 케이스(110) 내부로 인입된다.
상기 압력 센서(140)는 대기 압력에 대한 외부의 압력의 정도에 따라 전압 신호를 발생시키며, 상기 압력 센서(140)으로부터 발생된 상기 전압 신호는 상기회로 기판(300)에 제공된다. 예컨대, 상기 압력 센서(140)는 스트레인 게이지 및 브리지 회로로 구성된다. 상기 압력 센서(140)에 0-5.0V의 전원을 인가하고, 외부의 압력 1-10기압에 대해 상기 압력 센서(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 2내지 3.5V의 비선형의 전압 신호를 출력했다.
상기 회로 기판(300)에 입력된 전압 신호는 신호 처리되어상기 출력선(160)을 통해 외부로 출력된다. 바람직하게는, 상기 압력 센서(140)로부터의 전압 신호는 전류 신호를 변환되어 상기 출력선(160)을 통해 외부로 출력된다. 이러한 전류 신호로서의 출력은 전송 거리가 장거리 예컨대 100m 이상인 경우, 외부로부터의 간섭을 배재할 수 있는 잇점이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압력식 수위 센서를 보다 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 상기 회로 기판(300)에는 증폭 회로(310), 전압/전류 변환 회로(320), 및 전원 공급 회로(330)이 형성된다.
상술한 바와 같이, 상기 압력 센서(140)는 외부 압력에 대응하는 전압 신호를 발생시키며, 상기 압력 센서(140)로부터 발생되는 전압 신호는 상기 증폭 회로(310)에 입력된다.
상기 증폭 회로(310)는 상기 압력 센서(140)로부터의 상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상한다. 또한, 상기 증폭 회로(310)는 상기 선형 보상된 전압 신호를 증폭하여 증폭 신호를 발생시키며, 상기 발생된 증폭 신호를 상기 전압/전류 변환 회로(320)에 제공한다.
바람직하게는, 상기 증폭 회로(310)는 차동 증폭 회로부(311), 오프셋 회로부(312), 및 증폭 회로부(314)를 포함한다.
상기 차동 증폭 회로부(311)는 상기 압력 센서(140)로부터의 상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하여 비선형 보상 전압 신호를 발생시킨다. 예컨대, 상기 압력 센서(140)로부터 1 내지 10 기압의 압력 변화에 상기 전압 신호가 도 4에 도시된 바와 같이 출력되는 경우, 상기 압력 센서(140)로부터 입력되는 상기 전압 신호에 대해 상기 차동 증폭 회로부(311)는 아래 수학식(1)과 같은 이득을 갖는 것이 바람직하다. 도 5에는 도 4에 도시된 전압 신호에 대한 상기 차동 증폭 회로부(311)의 출력이 도시되어 있다. 이어, 상기 발생되는 비선형 보상 전압 신호를 상기 오프셋 회로부(312)에 제공한다.
Vout- = (Ra+R18)/Ra×Vin-
Vin- : U3A OP-AMP 전의 센서(-)단자 전원
Vout- : U3A OP-AMP 통과된 후 센서(-)단자 전원
Ra= R4+R11+VR5
VR5: 가변저항
Vout=R3/R12 × Vin
Vout : 차동증폭회로 최종 출력전압
Vin : U3B OP-AMP 전의 전압
상기 오프셋 회로부(312)는 상기 차동 증폭 회로부(311)로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호를 증폭하여 소정의 기준 압력에서 소정의 오프셋 전압을 출력시킨다. 바람직하게는, 상기 오프셋 회로부(312)는 대기압에서의 상기 차동 증폭 회로부(311)로부터 출력되는 비선형 보상 전압 신호에 대해 "0"V의 전압이 출력된다. 이 때, 상기 오프셋 회로부(312)의 이득은 아래의 수학식(2)에 나타낸 바와 같다. 도 6는 도 5에 도시된 상기 차동 증폭부(311)로부터 출력되는 비선형 보상 전압 신호에 대해 상기 오프셋 회로부(312)의 출력을 도시한 도면이다.
Vout = (Rb+R18)/Rb×Vin
Vin : offset 회로에 입력되는 전압
Vout : offset 회로에 출력되는 전압
Rb= R19+R26+VR2
VR2: 가변저항
상기 증폭 회로부(314)는 상기 오프셋 회로부(312)로부터의 오프셋 보정된 전압 신호를 증폭하여 증폭 신호를 발생시키고, 상기 증폭 신호를 상기 전압/전류 변환 회로(320)에 제공한다. 상기 증폭 회로부(314)의 이득은 아래의 수학식(3)과같다. 상기 증폭 회로부(314)의 이득은 상기 전압/전류 변환 회로(320)에서 상기 압력 감지 센서(140)로부터 출력되는 최소 및 최대 값에 대해 충분한 전류 변동률을 줄 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다. 도 7은 도 6에 도시된 상기 오프셋 회로부(312)로부터의 출력에 대한 상기 증폭 회로부(314)의 출력을 도시한 도면이다.
Vout = -R23/R22 × Vin
Vin : 증폭회로에 입력되는 전압
Vout : 증폭회로에 출력되는 전압
바람직하게는, 상기 증폭 회로(310)는 리플 제거 회로부(313)를 더 포함한다. 상기 리플 제거 회로부(313)는 상기 차동 증폭 회로부(311)의 출력단 및 상기 오프셋 회로부(312) 사이에 배치되어 상기 차동 증폭 회로부(311)로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호로부터 리플을 제거하고, 리플이 제거된 상기 비선형 보상 전압 신호를 상기 오프셋 회로부(312)에 제공한다.
바람직하게는, 상기 증폭 회로(310)는 버퍼 회로부(315)를 더 포함한다. 상기 버퍼 회로부(315)는 상기 오프셋 회로부(312) 및 상기 증폭 회로부(314) 사이에 위치하여, 상기 오프셋 회로부(312) 및 상기 증폭 회로부(314) 사이의 신호 간섭을 방지한다.
또한 바람직하게는, 상기 증폭 회로(310)는 필터 회로부(316)를 더 포함한다. 상기 필터 회로부(316)는 상기 증폭 회로부(314)로부터 출력되는 상기 증폭 신호로부터 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 증폭 신호를 상기 전압/전류 변환 회로(320)에 제공한다.
상기 전압/전류 회로(320)는 상기 증폭 회로(310)로부터의 증폭 신호를 전류 신호로 변환시켜 전류 신호를 발생시키며, 상기 발생되는 전류 신호를 상기 출력선(160)에 출력시킨다.
상기 전원 공급 회로(330)는 상기 전원 공급선(150)과 전기적으로 연결되어, 센서의 각 회로에 전원을 공급한다.
따라서, 상기 구성에 의하면, 압력 센서에서 감지한 압력에 대해 선형성의 전류 신호를 출력하게 됨으로써, 보다 정확한 수위를 감지할 수 있게 된다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 보다 저렴한 비용으로 제작할 수 있으며, 개선된 압력식 수위 센서를 실현할 수 있게 된다.
본 발명을 상기 실시 예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위 내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims (12)

  1. 압력에 대응하는 전압 신호를 발생시키기 위한 압력 센서, 상기 전압 신호는 압력에 대해 비선형이며;
    상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하고, 선형 보상된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로; 및
    상기 증폭 회로로부터의 증폭 신호를 전류 신호로 변환시키기 위한 전압/전류 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서 회로.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 압력 센서는 스트레인 게이지 및 브리지 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하여 비선형 보상 전압 신호를 발생시키기 위한 차동 증폭 회로부;
    상기 차동 증폭 회로부로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호를 증폭하여 소정의 기준 압력에서 소정의 오프셋 전압을 출력시키기 위한 오프셋 회로부;
    상기 오프셋 회로부로부터의 오프셋 보정된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 차동 증폭 회로부로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호로부터 리플을 제거하고, 리플이 제거된 상기 비선형 보상 전압 신호를 상기 오프셋 회로부에 제공하기 위한 리플 제거 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 오프셋 회로부 및 상기 증폭 회로부 사이에 위치한 버퍼 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 증폭 회로부로부터 출력되는 상기 증폭 신호로부터 노이즈를 제거하기 위한 필터 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  7. 케이스;
    그 일부가 외부의 압력을 감지하기 위해 상기 케이스로부터 노출되고, 그 다른 부분은 상기 케이스의 내부에 설치며, 압력에 대응하는 전압 신호를 발생시키기 위한 압력 센서, 상기 전압 신호는 압력에 대해 비선형이며;
    상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 압력 센서와 전기적으로 연결된 회로 기판;
    상기 케이스의 내부에서 상기 회로 기판과 상기 압력 센서를 고정시키기 위한 지지대; 및
    상기 케이스의 타 측면에 형성된 구멍의 입구로부터 연장되며, 그 내부에 전원 공급선, 상기 회로 기판으로부터의 출력되는 신호를 출력하기 위한 출력선, 및 상기 케이스의 내부로부터 연장되어 상기 케이스의 내부에 대기를 공급하기 위해 튜브를 수용하기 위한 안내 관을 포함하며,
    상기 회로 기판에는,
    상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하고, 선형 보상된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로; 및
    상기 증폭 회로로부터의 증폭 신호를 전류 신호로 변환시키기 위한 전압/전류 회로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 압력 센서는 스트레인 게이지 및 브리지 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 전압 신호의 압력에 대한 비선형을 보상하여 비선형 보상 전압 신호를 발생시키기 위한 차동 증폭 회로부;
    상기 차동 증폭 회로부로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호를 증폭하여 소정의 기준 압력에서 소정의 오프셋 전압을 출력시키기 위한 오프셋 회로부;
    상기 오프셋 회로부로부터의 오프셋 보정된 전압 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 차동 증폭 회로부로부터의 상기 비선형 보상 전압 신호로부터 리플을 제거하고, 리플이 제거된 상기 비선형 보상 전압 신호를 상기 오프셋 회로부에 제공하기 위한 리플 제거 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 오프셋 회로부 및 상기 증폭 회로부 사이에 위치한 버퍼 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 증폭 회로는 상기 증폭 회로부로부터 출력되는 상기 증폭 신호로부터 노이즈를 제거하기 위한 필터 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 수위 감지 센서.
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KR1020010077572A KR20030047159A (ko) 2001-12-08 2001-12-08 압력식 수위 감지 센서

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KR101639957B1 (ko) * 2015-12-23 2016-07-14 이진호 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로

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