KR20060004952A - 높이 감지용 근접 센서 - Google Patents

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KR20060004952A
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마이클 알. 질린스키
마이클 존 테일러
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터치센서 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

전계 효과 센서가 유체 및 분말의 높이를 감지하는데 사용하기 위해 적용된다. 센서는 탱크의 측벽 상에 또는 그 안에 배치된 종장형 평행 전극을 사용한다. 전극의 종축은 탱크에 포함된 유체 또는 분말의 표면과 평행하다.
근접 센서, 높이 감지, 높이 표시, 전계 효과 센서, 평행 전극

Description

높이 감지용 근접 센서 {PROXIMITY SENSOR FOR LEVEL SENSING}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2003년 4월 22일 출원된, 제목이 "낮은 유전 상수 유체 및 물질의 높이를 감지하기 위한 전극 구조(Electrode Designs for Sensing Level of Low Dielectric Constant Fluids and Substances)"인 미국 특허 가출원 제60/464,439호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 개시는 참조로서 본 명세서에 포함된다.
기술 분야
본 발명은 대체로 높이 감지에 관한 것이다. 더 상세히는, 본 발명은 유체 및 그 외 물질의 높이를 감지하는데 적용되는 전극을 갖는 근접 센서(proximity sensor)에 관한 것이다.
종래 기술
종종 탱크 또는 기타 용기 내의 유체의 높이를 알 필요가 있거나 높이를 아는 것이 유익하다. 높이를 알아내기 위한 공지된 수단은 열람 유리(sight glasses), 측정 막대, 높이를 나타내는 기계적 연동기(linkage)를 갖는 뜨개(float) 및 전기적 송신 장치에 연결된 뜨개를 포함한다. 널리 사용되고는 있지만, 이런 형식의 높이 감지 장비는 단점이 있다. 열람 유리는 유체 높이의 매우 정확한 시각적 표시를 제공할 수 있음에도 불구하고, 열람 유리는 그 유체 높이가 측정될 탱크에 또는 탱크 부근에 위치되어야 하므로, 통상적으로 원거리 높이를 표시하는데에는 사용될 수 없다. 또한, 통상적으로 열람 유리의 상부 및 하부는 그 유체 높이가 측정될 탱크의 측벽 내에 매립되어야 하기 때문에, 유체가 유출될 가능성이 증가한다. 또한, 침지 막대(dip stick) 등의 측정 막대는 그 유체 높이가 측정될 탱크에 존재할 필요가 있으며, 침지 막대는 원거리로는 쉽게 사용될 수 없다. 측정 막대는 측정하는 유체 안으로 물리적으로 삽입되어야 한다는 또 다른 단점을 갖는다. 이와 같이, 이들 사용은 측정되는 유체를 오염시킬 가능성을 증가시킨다.
높이 표시용 기계적 연동기를 갖는 뜨개가 잔디 깎는 기계, 정원용 트랙터 등의 소형 동력 장비에서 종종 사용된다. 이런 장치는 비교적 저가로 상당히 정확한 표시를 제공할 수 있다. 그러나, 이 장치는 대체로 근거리 표시만을 제공하며 원거리 표시를 제공하는데에는 그리 적합하지 않다. 또한, 이 장치는 통상적인 사용 동안 진동, 부품들에 대한 노출 및 기타 가혹한 환경 조건으로 인해 파손되는 경향이 있다.
전기 송신기에 연결된 기계적 연동기를 갖는 뜨개는 자동차 연료 탱크 등의 탱크 내 유체 높이를 측정하고 원거리 표시를 제공하는데 오랫동안 사용되어 왔다. 이 장치는 통상 탱크 내부에 장착되며, 유체 높이가 승강할 때 뜨개와 연동기의 움직임을 허용하도록 탱크 내의 충분한 공간을 요구한다. 따라서, 이런 성질의 장치는 탱크 설계와 수납 효율(packaging efficiency)을 제한한다. 또한, 이런 장치는 탱크 내 유체 부피가 단순히 탱크 내 유체의 높이의 함수가 되도록 탱크의 단면이 상부로부터 하부에 걸쳐 균일하다는 가정에서 작동된다. 이런 장치는 통상 불규칙한 단면을 갖는 탱크에서 사용될 경우 정확한 데이터를 제공할 수 없을 것이다. 이런 염려를 감소시키기 위해 다양한 장치를 사용할 수도 있지만, 이러한 사용은 비용, 복잡성을 증가시키며, 공간 제한으로 인하여 모든 경우에 있어 사용 가능한 것은 아닐 것이다.
전계 효과 센서(field effect sensor)는 물 등의 일부 유체의 근접을 감지할 수 있다. 그러나, 종래 전계 효과 센서는 일부 기타 유체 유형, 예를 들어, 가솔린 등의 탄화 수소에 대해 감도가 좋지 않다.
유체 또는 분말의 높이를 감지하는 본 발명은 종장형이고 대체로 평행한 전극을 갖는 근접 센서를 사용하며, 각 전극은 그 높이가 측정될 유체 또는 분말의 표면에 대체로 평행한 종축을 갖는다.
도1은 본 발명에 따르는 전극 구조의 도면이며,
도2는 본 발명에 따르는 다른 전극 구조의 도면이며,
도3은 탱크 내 물질의 높이를 측정하기 위한 본 발명에 따르는 전극 구조를 갖는 복수의 센서를 나타낸 도면이다.
도1은 자동차의 연료 탱크 등의 유체를 포함하는 탱크(20)의 측벽(22)에 위 치된 전계 효과 센서(10)를 도시한다. 다른 실시예에서, 탱크(20)는 다양한 유체 또는 분말을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 센서(10)가 탱크(20)의 외부에 위치되나, 탱크(20)의 내부에 위치될 수도 있다. 대안으로, 센서(10)는 탱크(20)의 측벽(22) 내에 매설될 수 있다.
센서(10)는 제어 회로(16)에 연결된 대체로 평행한 제1 및 제2 전극(12, 14)을 포함한다. 바람직하게는, 제어 회로(16)의 일례로, 일리노이주, 휘튼시 소재 터치센서 테크놀로지스，엘엘씨로부터 입수 가능한 TS100 센서를 구비한 제어 회로가 있다. TS100 센서의 많은 구조와 작동 원리는 미국 특허 제6,230,282호와 제6,713,897호 및 관련 미국 특허 출원 제10/272,377호와 제10/725,908호에 개시되어 있으며, 이들 개시는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
전극(12, 14)은 대체로 세장형이고 평행하다는 점에서 종래 센서 전극과 다르다. 바람직하게는, 전극(12, 14)은 그 종축이 탱크(20) 내에 포함된 유체의 표면과 대체로 평행이 되도록 탱크(20)에 배치된다. 후술하겠지만, 일반적으로, 전극 폭에 대한 길이의 비율이 커질수록 센서(10)는 전극에 근접한 자극에 더 빠르게 응답한다. 또한, 근접하게 이격된 전극 쌍은 더 높은 분해능을 제공한다. 즉, 근접하게 이격된 전극 쌍을 사용하는 센서(10)는 넓게 이격된 전극 쌍을 사용하는 센서(10)에 비해 높이의 경미한 변화에 더 민감하다. 그러나, 근접하게 이격된 전극 쌍을 사용하는 센서는 예를 들어 탱크(20) 내 유체의 튀어오름으로 인한 불규칙한 표시를 더 잘 제공할 수도 있다.
전극(12, 14)은 매우 다양한 형태로 구체화될 수 있다. 예를 들어, 전극들 은 도1에 도시된 바와 같이 얇고, 평행인, 동일 길이 평면 트레이스일 수 있다. 전극들은 도2에 도시된 바와 같이 길이가 다른 원통형 봉으로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서, 전극들은 길이가 다른 평면 트레이스 또는 길이가 같은 원통형 봉과 비슷할 수 있다. 또한, 전극들은 직경이 다른 봉으로 이루어질 수 있다. 전극의 전체 형상과 단면도 변할 수 있다. 일반적으로, 유사한 전극들이 유사한 자극에 대해 대체로 동일하게 응답한다. 다른 전극보다 길고, 폭이 넓으며, 단면이 더 넓은 전극은 대체로 주어진 자극에 대해 더욱 민감하다. 이러한 원리는 소정 분야와 관련하여 필요한 때에 공통 모드 간섭(common mode interference)을 거부하는 능력 및 센서의 민감도를 변경시키는데 이용될 수 있다. 일반적으로, 민감도가 향상되면 공통 모드 간섭을 무시하는 능력은 감소된다. 도1과 도2는 전극(12, 14)을 대체로 선형으로 도시하였지만, 전극(12, 14)은 탱크(20)의 측벽 둘레를 감싸거나, 달리 탱크(20)의 측벽에 부합하게 구성될 수 있다.
바람직하게는, 센서(10)는 탱크(20)에 부착되거나 또는 다른 방법으로 탱크(20)와 일체화된 (도시되지 않은) 가요성 또는 강성 기판에 배치된다. 예를 들어, 센서(10)를 지지하는 기판은 탱크(20)의 측벽 내에 매설될 수 있다. 대안으로, 센서(10)가 기판을 생략한 채 탱크(20) 상에 직접 배치되거나 탱크(20) 내에 매설될 수 있다.
두 전극(12, 14)이 모두 같은 매체를 예를 들어, 자동차의 연료 탱크 내의 휘발유 표면 위의 공기/증기를 감지하는 경우, 전극(12, 14) 모두는 유사한 커패시턴스-투-그라운드(capacitance-to-ground)를 갖는다. 다른 방법으로, 두 전극(12, 14)이 모두 같은 매체를 감지하는 경우, 그라운드에 대한 각 전극의 전기장 커플링은 대체로 동일하므로, 두 전극 사이의 전기장 포텐셜은 무시할 정도이다. 이러한 조건에서, 센서(10)는 "오프" 상태이다. 액체 높이가 상승하여 하부 전극(14)을 덮으면, 센서를 "온" 상태로 절환하기에 충분할 정도로 커질 때까지 하부 전극(14)과 상부 전극(12) 사이의 전기장 포텐셜이 증가하는데, 이것은 당업자에게 공지되어 있을 것이다. 액체 높이가 계속 상승하여 상부 전극(12)을 덮으면, 상부 전극(12)과 하부 전극(14) 사이의 전기장 포텐셜은 무시할 만한 수준으로 복귀한다. 이런 조건에서, 센서(10)는 "오프" 상태로 복귀한다. (전술한 설명은 두 전극이 유사하게 구성된다고 가정한 것이다. 한 전극이 다른 전극에 비해 길거나, 크거나 또는 대체로 다르게 구성된다면 두 전극이 모두 동일한 매체를 감지하는 조건에서는, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 두 전극의 커패시턴스-투-그라운드는 달라질 수 있다. 따라서, 탱크(20) 내의 높이 변화에 대한 센서의 응답은 전극(14)의 구조에 대한 전극(12)의 구조를 조절함으로써 조절될 수 있다.)
도3은 탱크(20)의 측벽에 배치되거나 그 안에 매설된 복수의 센서(10A-10C)가 어떻게 대체로 연속적인 탱크 내의 유체 높이의 표시를 제공하는데 사용될 수 있는지를 도시하고 있다. 유체의 높이가 최하부 센서(10A)의 하부 전극(14A)보다 낮은 경우, 센서들(10A-10C)은 각각 "오프" 상태에 있다. 유체가 최하부 센서(10A)의 하부 전극(14A)만을 덮는 경우, 센서(10A)는 "온" 상태에 있으며 센서(10B, 10C)는 "오프" 상태에 있다. 또한, 유체가 중간 센서(10B)의 하부 전극(14B)을 덮는 경우, 센서(10A, 10B)는 "온" 상태에 있으며 센서(10C)는 "오프" 상 태에 있다. 유체가 센서(10A)의 상부 전극(12A)을 덮는 경우, 센서(10A)는 "오프" 상태에 있으며, 센서(10B)는 "온" 상태에 있으며, 센서(10C)는 "오프" 상태에 있다. 유체가 최상부 센서(10C)의 하부 전극(14C)을 덮는 경우, 센서(10A)는 "오프" 상태에 있으며, 센서(10B, 10C)는 "온" 상태에 있다. 또한, 유체가 센서(10B)의 상부 전극(12B)을 덮는 경우, 센서(10A, 10B)는 "오프" 상태에 있으며 센서(10C)는 "온" 상태에 있다.
바람직한 실시예에서, 센서(10A 내지 10C)의 출력(VoutA 내지 VoutC)이 센서 출력을 높이 표시로 변환하는 (도시되지 않은) 마이크로컴퓨터에 연결된다. 예를 들어, (전극(12A, 14A, 14B, 14C)이 덮히는 조건에 대응하는) 센서(10A)가 "오프" 상태이고 센서(10B, 10C)가 "온" 상태이면, (도시되지 않은) 마이크로컴퓨터는 탱크(20)가 대체로 균일한 단면을 갖는다는 가정 하에서 탱크(20)가 대략 반이 채워졌음을 나타내는 출력을 발생시킬 것이다. 탱크(20)가 균일하지 않은 단면을 갖는다면, 정확한 높이 표시를 발생시키기 위해 탱크의 기하학적 형상이 마이크로컴퓨터의 분석에 고려될 수 있다.
단일 유체의 높이를 측정한다는 관점에서 상술되었지만, 본 발명은 용기 내 분말의 높이를 측정하는데 또는 용기 내 다른 액체 층 사이의 경계부의 높이를 측정하는데 사용될 수도 있다. 당업자는 본 발명을 한정하는 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서의 개시의 사상을 변경하는 방법을 알 것이다.

Claims (9)

  1. 바닥부와 측벽부를 갖는 탱크에 수납된 물질의 높이를 감지하기 위한 장치이며,
    상기 측벽부와 결합되는 제1 얇은 평면 전극과,
    상기 측벽부 상에 결합되는 제2 얇은 평면 전극과,
    스트로브 라인을 포함하고,
    상기 제2 전극은 상기 바닥부에 대하여 상기 제1 전극의 실질적으로 상부에서 상기 측벽부에 배열되며,
    상기 제1 전극은 제1 저항기 및 탐지 회로의 제1 입력에 연결되며,
    상기 제2 전극은 제2 저항기 및 탐지 회로의 제2 입력에 연결되며,
    상기 스트로브 라인은 상기 제1 저항기와 상기 제2 저항기에 연결되며,
    상기 탐지 회로는 유체가 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 것도 실질적으로 덮지 않을 때 저-레벨 출력을 발생시키며,
    상기 탐지 회로는 유체가 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 모두 실질적으로 덮을 때 저-레벨 출력을 발생시키며,
    상기 탐지 회로는 유체가 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 어느 하나만을 실질적으로 덮을 때 고-레벨 출력을 발생시키는 높이 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물질은 액체인 높이 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액체는 낮은 유전 상수를 갖는 높이 감지 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 액체는 높은 유전 상수를 갖는 높이 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 물질은 분말인 높이 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 탱크의 상기 측벽부에 배치되는 높이 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 탱크의 상기 측벽부의 외부면에 배치되는 높이 감지 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 탱크의 상기 측벽부의 내부면에 배치되는 높이 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 탱크의 상기 측벽부 내에 매설되는 높이 감지 장치.
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