KR20040031025A - 저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전류 감지 전극에 근접 이격되어 평행하게 배치된 2개의 세그먼트로 분할된 여자 전극을 구비한 유체 상태 모니터 및 유체 레벨 센서의 조합체를 제공한다. 유체 상태 모니터링 모드 기능을 위해, 여자 전극의 양 세그먼트는 고주파 및 저주파에서 순서대로 공동 여자되며, 감지 전극에서 감지된 전류는 유체 상태를 측정하기 위해 임피던스의 차이를 계산하는데 사용된다. 레벨 감지 모드 기능을 위해, 모드 스위칭 회로는 여자 전극 세그먼트중 하나를 접지시키고 다른 하나를 여자시키며, 그리고 다른 세그먼트를 접지시키고 하나의 세그먼트를 여자시키며, 결과 전류는 유체내에 잠기는 전극의 크기와 유체 레벨을 측정하도록 평가된다.

Description

저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법{COMBINED FLUID CONDITION MONITOR AND FLUID LEVEL SENSOR}
유체 모니터링을 위한 임피던스 분광학 기술을 이용하는 이러한 장치의 일례가 본 출원인에게 양도된 "Fluid Condition Monitor"라는 명칭의 1998년 12월 23일자 특허출원 제 220,556 호에 개시되어 있다. 상술한 장치는 유체에 잠겨 저주파 및 고주파에서 차례로 교류 전류 신호에 의해 여자되는 서로 맞물린 요소를 구비한 프로브를 이용한다. 양 주파수에서의 여자동안 결과 전압이 측정되고, 임피던스가 계산되며, 고주파와 저주파 사이의 임피던스 차이는 공지된 조건을 가진 유체의 차등 임피던스 측정값의 검색 테이블로부터 측정될 수 있는 유체 상태의 표시로 사용된다. 지금까지 이러한 감지 장치 또는 변환기에 사용된 프로브는 평행한 배열로근접 이격되어 배치되고, 유체에 잠기는 전기 접속부가 형성된 한 쌍의 전극을 구비하고, 하나의 전극은 선택된 주파수에서 차례로 교류 전압에 의해 여자되고, 나머지 전극에는 임피던스 측정이 이루어지는 감지 또는 출력된 전류가 흘러 검출된다.
도 6을 참조하면, 알. 에이. 보이어(R. A. Bauer) 등에게 허여되고 본 출원인에게 양도된 "Fluid Condition Monitor"라는 명칭의 1998년 12월 23일자 특허출원 제 220,556 호에 개시된 유체 상태 측정용의 공지된 시스템이 도시되어 있다. 도 6의 공지된 시스템은 유체에 잠긴 한 쌍의 전극을 구비한 프로브를 각각 0.1Hz 및 10Hz인 저주파 및 고주파에서 교류 여자 전압을 이용하여 차례로 여자하고, 다른 전극에서 결과 전류를 측정하고, 측정된 전류로부터 도달한 임피던스의 차이를 계산하는 기술을 이용한다. 도 6에 참조부호(1)로 포괄적으로 표시된 시스템은 모니터링될 유체에 잠기는 여자 전극(2)과, 대체로 평행한 배열로 근접 이격되어 서로 맞물리도록 배치된 전류 감지 또는 출력 전극(3)을 이용한다. 전극(2)은 보호된 리드(4)를 통해 여자 전압을 공급받으며, 리드(4)는 레벨 시프터(5)를 통해 인가되는 전자 제어기(도 6에 도시되지 않음)로부터의 아날로그 여자 신호를 수신한다. 출력 또는 전류 감지 전극(3)은 전류 입력부의 보호된 리드(6)를 거쳐 전압 컨버터(7)에 접속되며, 전압 컨버터(7)의 출력은 도시되지 않은 전자 제어기에 제공된 아날로그 디지털 컨버터의 입력부에 접속된 레벨 시프터(8)를 통해 인가된다. 전압 컨버터(7)로의 전류는 도시되지 않은 제어기로부터 라인(9)을 따라 수신된 자동 범위 제어 신호에 의해 변하는 가변 저항(RF)을 구비한다. 이 시스템을 위한 신호 처리는 상술한 특허출원에 충분히 도시 및 설명되어 있으며, 그 상세한 내용은 본 명세서에 참고로 인용되어 있으며, 간략화를 위해 반복되지 않는다.
유체내에는 별도의 레벨 감지 전극(12, 13) 세트가 잠겨 있으며, 공지된 제어기에 리드(14, 15)에 의해 접속되어 있다. 도 6에 도시된 종래 기술의 시스템은 유체에 잠긴 서미스터(thermistor)(10) 등의 별도의 온도 감지 장치를 포함하며, 이것은 도시되지 않은 제어기에 제공된 온도 감지 신호 처리 회로에 라인(11)을 통해 신호를 제공한다.
도 6에 도시된 바와 같은 상호 맞물림된 전극(2, 3) 대신에 도 6의 종래 기술 시스템에 나선형 또는 헬리컬형으로 이격되어 배치된 평행 와이어 형태의 프로브 전극의 배열을 가진 대안적인 구성을 제공하는 것도 또한 공지되어 있다. 그러한 헬리컬형 프로브 구성은 엠. 에이치. 폴시즌스키(M. H. Polcyznsky) 등에게 허여되고 본 출원인에게 양도된 "Monitoring Fluid Condition With A Spiral Electrode Configuration"이라는 명칭의 1999년 11월 3일자 특허출원 제 09/432,971 호에 도시 및 설명되어 있다.
지금까지, 상태 센서 또는 모니터를 사용하여 저장기 또는 베셀내 유체 레벨의 전기적 표시를 제공하는 것이 요구되는 경우, 유체내에 추가적인 전극 세트를 제공하고, 유체 상태 감지 전극에 이격된 관계로 지지를 제공하고, 유체 레벨을 전기적으로 측정하기 위한 별도의 전자 회로를 제공할 필요가 있었다. 이러한 구성은 특히 모니터링될 유체가 밀봉이 요구되는 저장기 또는 베셀에 수용된 경우에 비교적 비용이 많이 들고, 유체 상태 모니터링 프로브 조립체의 구조 및 이것의 설치를 복잡하게 한다.
특히, 유체 상태 모니터링 센서를 트랜스미션 또는 엔진 오일 섬프내 유체 상태의 연속적인 전기적 표시를 제공하기 위해 자동차에 탑재된 유체 상태 모니터링 센서를 이용하는 것이 요구되는 경우, 유체 레벨 감지를 위한 추가 전극의 부가는 설치의 관점에서 비용과 복잡성 때문에 대량 생산에서는 금기시되어 왔다. 따라서, 유체 상태 모니터를 이용하여 저장기 베셀내 유체 레벨을 감지하는 방법 또는 수단을 제공하고, 별도의 유체 레벨 감지 전극이 필요 없이 유체 상태의 전기적 표시를 제공하는 것이 오랫동안 요구되어 왔다.
발명의 요약
본 발명은 감지 기능을 위한 별도의 전극 및 회로가 필요 없이 통상의 센서 프로브로 유체 레벨을 감지하여 조합된 유체 상태 감지 기능을 제공하는 상술한 과제를 해결한다. 본 발명의 센서는 유체에 잠기며 대체로 평행한 배열로 근접 이격된 한 쌍의 전극을 이용하며, 전극중 하나는 전기적으로 서로 접속된 상부 및 하부 섹션으로 분할되며, 일반적으로 유체 상태를 측정하기 위해 고주파와 저주파에서 차례로 교류 전류에 의해 여자된다. 나머지 전극은 감지 전극이며, 저장된 정보로부터 유체 상태를 측정하기 위해 고주파 및 저주파 여자에서의 차등 임피던스를 계산하기 위해 전자 제어기에 신호 전류를 제공한다.
레벨 감지 기능을 위해, 여자 전극은 개별적으로 여자되는 상부 및 하부 섹션으로 분할되며, 전류비 및 각 섹션의 여자로부터 측정된 신호 위상 시프트는 2개의 전극이 유체에 잠겨 있는지, 예를 들어 유체가 소망 레벨에 있는지의 표시를 제공한다. 전류비는 전극이 잠긴 비율을 표시하는데 사용되어 유체의 중간 레벨을 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여자 전극을 분할함으로써 동일 프로브에 유체 레벨 감지와 유체 상태 모니터링을 조합하며, 레벨 감지 기능을 위한 별도의 전극 세트를 제공할 필요를 제거한다.
본 발명은 작동유와 같은 유체의 화학/오염 상태와, 또한 내연기관 및 동력 전달 장치에 사용되는 윤활유의 첨가물 소모 상태, 산성도 그리고 다른 유형의 디그라데이션의 연속적인 전기적 표시를 실시간으로 제공하는데 사용되는 변환기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 레벨 감지 및 유체 모니터링 조합 시스템의 개략도,
도 2는 도 1의 시스템에 있어서의 평면 어레이의 감지 프로브의 사시도,
도 3은 도 1의 시스템에 있어서의 전자 제어기의 블록 다이어그램,
도 4는 도 1의 시스템에 있어서의 감지 프로브의 다른 실시예의 단면도,
도 5는 도 1의 시스템에 있어서의 감지 프로브의 다른 실시예의 단면도,
도 6은 종래 기술의 유체 모니터링 시스템의 개략도.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 참조부호(20)로 포괄적으로 표시된 본 발명의 시스템은 베셀 또는 저장기(24)내에 수용된 모니터링될 액체에 잠긴 센서 프로브[참조부호(22)로 포괄적으로 표시됨]를 포함한다. 도 1에서는 저장기가 개방되어 있지만, 응용예에 따라서는 저장기가 폐쇄 또는 밀봉될 수 있음이 이해될 것이다.본 발명의 시스템은 참조부호(26)로 포괄적으로 표시된 전자 제어기에 접속되며, 전자 제어기는 유체 상태 모니터링 기능을 위한 신호 처리 회로를 수용하며, 그러한 신호 처리 회로는 상술한 특허출원에 도시 및 설명되어 있으며, 간략화를 위해 본 명세서에서는 생략되었다.
프로브(22)는 도 2에 확대되어 상세히 도시되어 있으며, 바람직하게는 픽업 또는 전류 감지 전극(32)에 대해 정렬되고 평행한 배열로 근접 이격되어 배치된 하부 여자 전극(30) 및 상부 여자 전극(28)을 포함한다. 이들 전극은 각각 상호 맞물림된 핑거(28a, 30a, 32A)를 구비한다. 전류 감지 전극(32)은 감지된 전류 신호를 전압 컨버터(36)로의 "-" 전류 입력부에 제공하는 보호된 리드(34)에 접속되며, 컨버터(36)는 피드백 저항(Rf)을 가지며 그 출력은 제어기(26)의 감지된 레벨 신호 입력부에 라인(38)을 따라 접속된다.
여자 전극(28, 30, 42)은 각각 리드(40, 42)에 의해 싱글 폴 더블 쓰로우 모드(single pole double throw mode) 제어 스위치(SW1, SW2)의 공동 측면에 접속된다.
피드백 저항(Rf)은 라인(39)을 따라 인가된 제어기(26)로부터의 자동 범위 제어 신호에 의해 변화되어, 임피던스가 변하는 유체내의 프로브에 의해 감지된 전류 범위를 프로브가 수용 가능하게 한다.
프로브(22)는 독립적이거나, 또는 도 2에 실선으로 도시된 바와 같이 평면 어레이를 유지하기에 충분한 두께로 형성된 서로 맞물린 부재일 수 있다. 대안적으로, 전극(28, 30, 32)은 도 2에 점선으로 표시되고 참조부호(33)로 포괄적으로 표시된 기판상에 막이 부착된 것일 수 있다.
모드 제어 스위치(SW1, SW2)는 각각 제어기(26)로부터 라인(46)을 따라 아날로그 여자 신호를 수신하는 공동 입력 접합부(44)에 접속된 "온(ON)" 사이드 단자를 구비한다. 제어기(26)로부터의 아날로그 여자 신호는 제어기(26)의 논리 중앙 처리 유닛(50)으로부터의 입력을 수신하는 DC-AC 컨버터(48)에 의해 발생되며, 이 DC-AC 컨버터(26)는 유체 상태 모니터링 기능 및 레벨 감지 기능 모두를 위한 여자 신호를 발생하는 회로를 수용한다. 논리 CPU(50)는 또한 자동 범위 게인 제어 신호를 라인(39)에 제공한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 접합부(44)로부터 제어기(26)에 제공된 멀티플렉서(52)의 기준 입력에 구동 신호 기준이 제공된다. 레벨 감지 신호가 또한 라인(38)을 따라 멀티플렉서(52)의 별도의 입력부에 인가된다. 멀티플렉서(52)는 또한 프로브(22)에 인접하여 유체에 잠긴 온도 센서(56)로부터 감지된 온도의 입력을 라인(54)을 따라 수신한다.
"온" 단자에 대향하는 스위치(SW1, SW2)의 사이드 단자는 도 1에 도시된 바와 같이 개별적으로 접지되어 있다. 스위치(SW1, SW2)의 공동 스위칭 단자는 도 1에 도시되 바와 같이 논리 CPU(50)로부터 라인(56)을 따라 출력되는 모드 제어 스위칭 신호에 의해 릴레이(55)를 통해 각각 제어된다. 스위치(SW1, SW2)는 도시의 목적을 위해 도 1에 기계적 스위치로 도시되어 있지만, 스위치(SW1, SW2)의 스위칭 기능은 전자적으로 수행되는 것이 바람직하며, 필요한 경우 제어기에 통합될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
멀티플렉서(52)는 논리 CPU(50)에 입력을 제공하는 AC-DC 컨버터(58)에 출력을 제공한다. 논리 CPU(50)는 또한 제어기(26)내의 프로그램 메모리 ROM(60) 및 메모리 RAM(62)에 접속된다. 논리 CPU(50)는 또한 제어기(26)로부터 분리 배치되는 것이 바람직한 알람/디스플레이(70)에 라인(66)을 따라 출력을 제공하는 커뮤니케이션 인터페이스(64)에 접속된다. 사용자 초기화 신호(72)는 라인(74)을 따라 커뮤니케이션 인터페이스(64)의 입력부에 제공된다.
도 4를 참조하면, 프로브의 다른 실시예가 참조부호(122)로 포괄적으로 표시되어 있으며, 이것은 관형 구조를 가지며 외부 원통형 케이싱(129)내의 블록(125)상에 장착되는 상부 여자 전극(128)을 포함한다. 하부 여자 전극은 블록(127)상에 장착된 튜브(130)의 형태이며, 상부 여자 전극(132)과 정렬 이격된 관계로 케이싱(129)내에서 상방으로 연장된다.
전류 감지 전극(132)은 관형 구조를 가지며, 전극(128, 130)을 둘러싼다. 감지 전극(132)은 보호된 리드(34)에 의한 전기 접속을 위해 블록(125)을 통해 상방으로 연장되는 부분(132a)을 구비한다.
하부 여자 전극(130)은 리드(42)와의 접속을 위해 블록(125)을 통해 상방으로 연장되는 리드(133)가 접속되어 있다. 유사하게, 상부 여자 전극(128)은 블록(125)을 통해 상방으로 연장되는 부분(128a)을 구비하며, 리드(40)에 접속된다. 따라서, 도 4의 프로브(122)는 여자 전극과 감지 전극의 동축 배열을 갖는다.
도 5를 참조하면, 참조부호(222)로 포괄적으로 표시된 프로브의 다른 실시예가 도시되어 있으며, 이것은 베셀(24)내의 액체에 잠기는 중공 관형 지지부(223)상에 배치된 전극을 구비한다.
프로브(222)는 도 5에 치수 "P"로 표시된 피치로 지지부(223)상에 헬리컬형으로 권취되어 지지부(223)의 길이방향 아래로 연장되는 와이어(232)의 형태인 전류 감지 전극을 구비한다. 와이어(228)의 형태인 상부 여자 전극은 지지부(223)상에 대응 피치 "P"로, 도 5의 참조부호 "S"로 표시된 균등한 거리만큼 와이어(228)로부터 이격되어 권취되고, 와이어(228)는 감지 전극(232)의 대략 중간까지의 거리만큼 하방으로 연장되어 그곳에서 종료된다. 와이어(230)의 형태인 하부 여자 전극은 또한 지지부(223)상에 피치 "P"로 감지 전극(228)에 대해 거리 "S"만큼 이격된 관계로 권취되며, 감지 전극(232)의 하단부까지의 거리만큼 하방으로 연장된다.
상부 여자 전극(228)은 그 상단부가 리드(40)에 접속되며, 하부 여자 전극(230)은 지지부(223)에 제공된 구멍(225)을 통해 그리고 지지 튜브(223)를 통해 상방으로 연장되는 리드(242)에 접속된다. 감지 전극(232)은 그 상단부가 보호된 리드(34')에 접속되며, 리드(34')는 전류-전압 컨버터(36)에 접속되는 것이 이해될 것이다.
작동시에, 스위치(SW1, SW2)는 유체 상태 모니터링 모드 작동을 위해 도 1에 실선으로 도시된 위치로, 즉 "ON" 사이드 단자로 각각의 공동 커넥터가 이동한다.
유체 레벨 감지 기능 모드 작동을 위해, 스위치(SW1)는 원격의 모드 제어 스위치 신호에 의해 도 1의 점선으로 도시된 위치의 접지된 사이드 단자까지 이동된다. 여자 전류는 스위치(SW2)를 통해 하부 전극(30)에 인가되며, 전극(32)에서의감지 전류는 제어기(26)에 의해 측정된다. 그리하여 원격의 모드 제어 스위칭 신호는 스위치(SW1)를 "ON" 위치로 복귀시키고, 스위치(SW2)를 접지 위치로 이동시키며, 전극(28)은 스위치(SW1)를 통해 여자되고, 감지된 전류가 전극(32)에서 측정된다. 그리하여, 논리 CPU는 전극(28, 30)의 개별 여자에 의해 감지된 전류비를 측정한다. 이 전류비는 저장기 충전이 완료되는 액체 레벨을 나타내는 1:1 전류비를 기준으로 유체에 잠기는 전극의 비율을 측정하는데 사용된다.
연료 레벨이 양 전극의 아래에 있는 경우, 결과 전류는 소정 하한값 이하이며, 시스템은 이를 부족으로 해석한다. 또한, 위상 시프트는 증가된다.
따라서, 본 발명은 중간지점이 분할된 여자 전극을 구비하고 전극의 상부 및 하부의 교번 여자(alternating excitation)를 허용하며, 감지 전류비가 유체에 잠기는 전극의 비율을 측정하여 유체 레벨을 측정하는데 사용되는 독창적이고 새로운 유체 상태 모니터링 프로브를 제공한다. 유체 모니터링 기능은 여자 전극의 상부 전극 부분과 하부 전극 부분을 공동 여자에 의해 수행되며, 따라서 두 기능에 대해 동일한 전극 구성을 이용한다.
이상에서 본 발명은 도시된 실시예에 대하여 설명되었지만, 본 발명은 변형 및 수정이 가능하며, 다음의 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (10)

  1. 저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법에 있어서,
    ① 유체내에 제 1 전극을 적어도 부분적으로 배치하는 단계와,
    ② 유체내에 제 2 전극을 상기 제 1 전극의 상부로부터 근접 이격시켜 배치하는 단계와,
    ③ 유체내에 제 3 전극을 상기 제 1 전극의 하부로부터 근접 이격시켜 배치하는 단계와,
    ④ 상기 제 3 전극을 접지시키고, 상기 제 2 전극을 교번 전압으로 여자하며, 이어서 상기 제 2 전극을 접지시키고, 상기 제 3 전극을 교번 전압으로 여자하며, 상기 여자로부터 상기 제 1 전극에서 전류를 검출하는 단계와,
    ⑤ 검출된 전류를 비교하고, 그것으로부터 저장기내의 유체 레벨을 측정하는 단계와,
    ⑥ 상기 제 2 및 제 3 전극을 비교적 낮은 주파수의 교번 전압으로 동시에 여자하고, 상기 제 1 전극에서 전류를 검출하고, 용적 및 표면 임피던스를 측정하고, 유체의 상태와 임피던스의 공지된 관계로부터 유체의 상태를 측정하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극을 배치하는 상기 단계는 상기 제 2 전극을 상기 제 1 전극의 상부와 서로 맞물림시키는 단계를 포함하고, 상기 제 3 전극을 배치하는 상기 단계는 상기 제 3 전극을 상기 제 1 전극의 하부와 서로 맞물림시키는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 유체내에 배치하는 상기 단계들은 상기 전극을 기판상에 장착하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 전극을 배치하는 상기 단계들은 상기 제 1 및 제 2 전극의 길이를 동일하게 하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극에서 전류를 검출하는 상기 단계는 전류를 전압으로 변환하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극에서 전류를 검출하는 상기 단계는 보호된 리드를 상기 제 1 전극에 접속하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전극으로부터 전류를 검출하는 상기 단계는 상기 보호된 리드를 전류-전압 컨버터에 접속하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각각의 여자로부터 전류를 검출하는 상기 단계는 상기 제 2 및 제 3 전극의 여자로부터 검출된 전류를 할당하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제 1, 제 2 및 제 3 전극을 배치하는 상기 단계들은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전극을 헬리컬형 배열로 배치하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 전극을 배치하는 상기 단계들은 상기 제 2 및 제 3 전극을 상기 제 1 전극 둘레에 동축으로 배치하는 단계를 포함하는
    저장기내 유체의 상태 및 레벨을 감지하는 방법.
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