KR20060026126A - 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치 - Google Patents

초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수위 감지 장치에 관한 것으로 특히, 초음파 진동자를 갖는 세척기 혹은 물을 매개로 사용하는 압전 진동자의 응용제품(초음파가습기 등)의 수위를 감지하기 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 본 발명은 소정의 수용 공간을 갖는 수조에 초음파발생회로의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 초음파 진동자를 하나 이상 구비한 전기, 전자 제품에 있어서, 상기 수조의 측면 중 최소한 한 면에 하나 이상이 서로 다른 높이로 고정 설치된 도체센서와 ; Vcc와 GND 사이에 연결된 풀-업저항과 ; 상기 풀-업저항 및 도체센서와 GND 사이의 전류 흐름을 단속하는 트랜지스터스위치와 ; 상기 도체센서와 초음파진동자가 물에 잠김에 따라 도체센서에 걸리는 전위를 측정하고, 상기 트랜지스터스위치의 온/오프(on/off)를 제어하는 중앙처리장치를 포함하여 구성되며,
상기 도체센서가 물에 잠기는 가 여부에 따른 신호에 따라 수위를 감지한다.
세척기, 초음파진동자, 금속진동체, 압전체, 수위센서용 도체

Description

초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치{water sensing document of electronic machine with the Ultra sonic transducer}
도 1은 본 발명에 따른 수위 감지 장치를 갖는 수조의 일예를 도시한 부분 단면도 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 수위 감지 장치의 도체센서 고정부분을 확대 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 수위 감지 장치를 갖는 수조의 초음파 진동자 설치 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 수위 감지 장치의 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 수위 감지 장치가 설치된 수조에 물이 없는 상태에서의 회로 상태를 도시한 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 수위 감지 장치에 있어서 노이즈필터의 일예를 도시한 회로도이고,
도 7은 수조에 물이 없는 경우 오실로스코프로 측정한 도체센서에서의 전압 파형과, 노이즈필터를 통과하여 중앙처리장치에서 측정한 전압 파형이고,
도 8은 수조에 물이 있는 경우 오실로스코프로 측정한 도체센서에서의 전압 파형과, 노이즈 필터를 통과하여 중앙처리장치에서 측정한 전압 파형이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
10 : 초음파 발생 회로 20 : 도체 센서
21 : 도체 볼트 22 : 절연링
23 : 접속링 24 : 너트
25 : 절연튜브 30, 40, 50 : 전선
70 : 초음파 진동자 71 : 도금막
72 : 금속진동체 73 : 압전세라믹
74, 75 : 패킹 76 : 고정링
77 : 접속링 78 : 도체볼트
80 : 수조
110 : 중앙 처리 장치 120 : 노이즈필터
130 : 수 저항 140 : 트랜지스터스위치
150 : 풀-업저항
본 발명은 수위 감지 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 압전 진동자를 갖 는 세척기 혹은 물을 매개로 사용하는 압전 진동자의 응용제품(초음파가습기 등)의 수위를 감지하기 위한 장치에 관한 것이다.
더욱 보다 상세하게는 진동자와 볼이 절연된 경우 부가적인 수위감지센서를 사용하지 않고 도체와 물의 저항을 이용하고 물의 도전성과 마이크로컴퓨터를 이용하여 좁은 설치공간에도 설치가 가능할 뿐만 아니라 독립된 센서를 설치하지 않고도 수위를 감지할 수 있는 수위 감지 장치에 관한 것이다.
압전 세라믹은 전자·통신·기계 등의 다양한 분야에서 초음파 응용소자 및 변위발생소자, 각종 센서 등으로 널리 사용되고 있다.
압전체에 전기적 신호를 인가할 때 그 신호의 주파수와 일치하는 수축과 팽창이 나타나는 특성을 이용하여 초음파진동자, 소나, 압전 부져 및 스피커, 액츄에이터 등으로 사용되고 있으며, 압전체에 기계적 에너지가 인가될 때 발생하는 전기에너지를 이용하여 압전착화소자나 각종 센서 등에 활용되고 있다. 또한, 압전 인버터와 같이 상기 두 가지 에너지 변환효과를 동시에 활용하는 경우도 있다.
압전체에 전기적신호를 인가할 때 기계적 진동이 발생하는 것을 역압전효과라하며, 압전세라믹의 공진주파수의 전압을 인가할 때 가장 많은 변위사 발생하게 되므로 초음파진동자로 널리 사용되고 있다.
초음파진동자는 고주파전력을 기계적 진동으로 변환하고 그 기계적 진동을 전송, 증폭하는 진동체(통상적으로 금속으로 제작된 혼)를 통하여 매질에 전달하게 된다.
일반적으로 널리 사용되는 초음파 세척기용 진동자는 전기 기계 변환 효율이 우수한 레드지르코네이트티타네이트(PZT)재료를 사용하고 있으며, 스테인레스로 구성된 세척조에 압전세라믹 진동자를 여러 개 접착시켜 사용하고 있다.
이때 세탁조 내에 세척수가 담겨져 있지 않은 경우 압전체는 무부하 상태가 되고, 압전체는 발열하여 파손되게 되며, 이때 회로의 손상이 동시에 발생하여 초음파세척기는 재사용이 불가능하게 된다.
이러한 경우를 방지하기 위하여 부력식, 전자기식, 전자식, 초음파 레벨센서(level sensor) 등과 같은 별도의 수위감지센서를 설치하고 이를 다른 회로와 연동시키기 위한 회로 구성이 별도로 필요하여 회로으;l 구성이 복잡해짐은 물론, 설치 조건 등이 까다로워 세척조 내의 세척 유효 공간의 감소를 발생시킨다.
또한 세척기의 특성상 이물질이 다수 존재하여 전자기식이나 전자식의 경우 감지 부분이 이물질에 의하여 오염되어 오동작이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 수위감지 센서를 용이하게 설치할 수 있고, 크기의 제한이 없어 임의의 크기로 임의 위치에 자유롭게 설치할 수 있으며 오염에 의한 오동작이 없이 반영구적으로 사용이 가능하며 별도로 제작된 수위감지센서를 설치하지 않고 수위를 감지할 수 있는 수위 감지 장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한 금속도체만을 추가로 설치함에 의해 수mm 이하의 수위까지도 정확히 디 지털화하여 감지할 수 있는 수위 감지 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 갖는 본 발명은 소정의 수용 공간을 갖는 수조에 초음파발생회로의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 초음파 진동자를 하나 이상 구비한 전기, 전자 제품에 있어서, 도전성 금속으로 만들어지고, 상기 수조의 측면 중 최소한 한 면에 하나 이상이 서로 다른 높이로 고정 설치된 도체센서와 ; Vcc와 GND 사이에 연결된 풀-업저항과 ; 상기 풀-업저항 및 도체센서와 GND 사이의 전류 흐름을 단속하는 트랜지스터스위치와 ; 상기 도체센서와 초음파진동자가 물에 잠김에 따라 도체센서에 걸리는 전위를 측정하고, 상기 트랜지스터스위치의 온/오프(on/off)를 제어하는 중앙처리장치를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치에 의해 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 수위감지방법의 일예를 첨부된 도면을 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수위 감지 장치를 갖는 수조의 일예를 도시한 부분 단면도 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수위 감지 장치의 도체센서 고정부분을 확대 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 수위 감지 장치를 갖는 수조의 초음파 진동자 설치 부분을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 수위 감지 장치의 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 수위 감지 장치가 설치된 수조에 물이 없는 상태에서의 회로 상태를 도시한 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 수위 감지 장치에 있어서 노이즈필터의 일예를 도시한 회로도이고, 도 7은 수조에 물이 없는 경우 오실로스코프로 측정한 도체센서에서의 전압 파형과, 노이즈필터를 통과하여 중앙처리장치에서 측정한 전압 파형이고, 도 8은 수조에 물이 있는 경우 오실로스코프로 측정한 도체센서에서의 전압 파형과, 노이즈 필터를 통과하여 중앙처리장치에서 측정한 전압 파형이다.
도시한 바와 같이 본 발명에 따른 수위 감지 장치는 수조(80)의 벽에 설치된 도체센서(20)를 구비하고 있다.
상기 도체센서(20)는 수조(80)의 내부에 저장되는 물의 유,무를 감지하기 위한 수단으로 후술하는 각 수단과 연계되어 수조(80)내에 물의 유, 무를 감지한다.
상기 도체센서(20)는 도 2에 단면으로 도시한 바와 같이, 전도성이 우수한 금속으로 만들어진 도체볼트(21)와 이를 수조(80)의 벽면에 고정시키기 위한 너트(24) 및 상기 도체볼트(21)와 전기적으로 접속을 이루고 있는 접속링(23)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 도체센서(20)는 수조(80)의 측벽을 관통하여 형성된 구멍에 고정 설치되며, 상기 구멍에는 도체볼트(21)와 수조의 벽 사이로 용수가 누출되는 것을 방지하고 수조(80)로 전기가 누전되는 것을 방지하기 위하여 누수 및 누전 방지용 절연링(22)과 절연튜브(25)가 설치되어 있다.
또한 수조(80)의 바닥이나 측벽에는 초음파 진동자(70)가 하나 이상설치되어 있으며, 이 초음파 진동자(70)의 금속진동체(72)로부터 전선(40)이 인출되어 있다.
상기 도체센서(20)의 재질을 상기에서는 금속으로 설명하였으나, 카본 폴리머 등과 같은 비금속 전도체를 사용하여 만들 수 있다. 즉, 상기 도체볼트(21)를 카본 폴리머 전도체 등과 같은 비금속성 전도체로 제작할 수 있으며, 이러한 도체센서의 재질에 대한 설명은 하나의 실시예로서 전기 전도성을 갖는 어떠한 물질도 사용될 수 있다.
상기 초음파진동자(70)는 도 3에 그 단면으로 도시한 바와 같이 금속진동체(72)와, 압전세라믹(73)으로 구성되며, 하나 이상의 패킹(74, 75)에 의해 수조(80)와의 사이로 누수되는 것이 방지되게 설치되며, 고정링(76)과 고정볼트를 이용하여 수조에 고정 설치된다.
이러한 초음파진동자(7)의 구조 및 설치구조는 본 출원인에 의해 기출원된 초음파 진동자의 설치구조 등에 이미 설명된 것들로 이에 대한 상세한 설명는 생략한다.
상기 초음파진동자(70)의 금속진동체(72)에는 전도성이 우수한 도체볼트(78)가 조여져 있으며, 이 도체볼트(78)는 상기에서 설명한 전선(40)을 연결하는 접속링(77)을 고정시키고 있다.
즉, 도체볼트(78)를 이용하여 전선(40)을 금속진동체(72)와 전기적으로 접속을 이루게 한다.
본 발명에 따른 수위 감지 장치는 상기 초음파진동자(70)의 진동을 제어하는 초음파발생회로(10)와 연계되어 동작을 하며, 상기 초음파발생회로(10)에 소정의 제어신호를 전달하는 중앙처리장치(110)의 제어에 따라 온/오프(on/off)되는 트랜 지스터스위치(140)와 Vcc와 GND(접지)사이에 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)을 갖고 있다.
상기 풀-업저항(150)은 상기 도체센서(20)가 물에 잠겨 금속진동체(72)와 하나의 폐회로를 이룰 때 물의 전기적인 저항값과 대비되는 저항으로서 1M??이상의 저항값을 갖는다.
도 1에는 하나의 도체센서(20)만 설치된 것을 일예로 도시하였으나, 수위에 따라 다수를 설치하고, 각각으로부터 감지되는 신호를 관리함으로서 수위를 보다 정밀하게 관리할 수 있다.
상기 중앙처리장치(110)는 도체센서(20)의 전위를 측정하고 트랜지스터스위치(140)를 제어하는 역할을 한다.
상기 초음파진동자(70)의 금속진동체(72)는 회로의 GND(접지)와 연결되어 있으며, 수위감지를 위한 도체센서(20)와 물이 있을 경우 상기 금속진동체(72)와 폐회로를 구성하며, 물이 없을 경우 절연 상태가 된다.
상기한 바와 같이, 상기 도체센서(20)에서 수위를 감지하는 과정에서 발생한 잡음은 노이즈필터(120)를 통하여 중앙처리장치(110)에 입력되어지며, 도체센서(20)와 노이즈필터(120) 사이는 입력전원으로부터 미도시한 트랜스포머와 브릿지다이오드, 레귤레이터를 거쳐 만들어진 직류 5V가 1M??이상의 풀-업(pull-up)저항(150)을 거쳐 노이즈필터(120)와 트랜지스터스위치(140)에 연결되어 있다.
상기 트랜지스터스위치(140)는 수위를 측정할 때 중앙처리장치(110)에 의하여 오프(off)된 상태이며, 수위를 측정하지 않을 때에는 온(on)되어 전류를 접지로 흘려보내게 된다.
상기 노이즈필터(120)의 일예를 도 6에 도시하였고, 이를 약술하면, C35에 의하여 1차 정류되고 다이오드를 정방향과 역방향을 한쌍으로 구성하여 도체센서(20)로부터 유입되는 교류 잡음을 제거하고 또한 R35와 C35에 의하여 중앙처리장치(110)에 유입될 수 있는 돌입전류, 전압을 제거하도록 구성되어 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 수조(80)의 내부에 물이 었을 경우 즉, 도체센서(20)가 물에 잠기지 않았을 때의 회로 구성으로 동작원리는 다음과 같다.
수위감지용으로 설치된 도체센서(20)와 GND와 연결된 초음파진동자(70)의 금속진동체(72) 사이에 물이 없을 경우 금속진동체(72)와 수위감지용 도체센서(20)는 절연이 된다.
이러한 상태에서 중앙처리장치(110)에 의하여 주기적으로 트랜지스터스위치(140)를 온/오프(on/off)하면 다음과 같은 동작이 이루어지게 된다.
트랜지스터스위치(140)가 오프(off)일 경우 즉, 수위를 측정하고자 할 때에는 Vcc 5V에 의하여 공급되는 전압은 직렬로 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)에 의하여 전압이 상승하고, 상승된 전압은 도 7에 도시된 그래프의 9a, 9b, 10a, 10b에서 보듯이 2.7V 이상이 유기되어, 중앙처리장치(110)에 입력되며, 중앙처리장치(110)는 이 신호를 1 즉, 하이(logic high)로 인식하게 되어 프로그램에 의하여 물이 없는 것으로 인식한다.
트랜지스터스위치(140)가 온(on)일 경우 즉, 수위를 측정하지 않을 때에는 Vcc 5V에 의하여 공급되는 전류는 직렬로 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)을 거쳐 트랜지스터스위치(140)를 통해 접지로 흘러가므로 출력 전압은 0V 값이 유지된다.
이러한 동작은 초음파세척기의 동작프로그램과 함께 주기적으로 실행되어 정해진 시간마다 물의 유무를 감시하게 된다.
초음파진동자(70)의 금속진동체(72)가 물이 접촉되었을 경우 즉, 도체센서(20)가 물에 잠겨있을 경우에는 Vcc 5V에 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)과 금속진동체(72) 사이는 약200k?? 수 저항(물의 전기 저항)(130)에 의하여 연결되어 접지로 전류가 흐르게 된다.
그러나 이때 트랜지스터스위치(140)가 온(on)되어 있으면 Vcc 5V에 의하여 공급되는 전류는 직렬로 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)을 거쳐 물과 트랜지스터스위치(140)를 통과하여 접지로 흘러가게 되므로 도 9의 측정결과에서 보듯이 물이 없을 경우와 동일하게 출력전압은 0V를 유지한다.
또한, 중앙처리장치(110)에 의하여 트랜지스터스위치(140)를 오프(off)시켰을 때에는 Vcc 5V에 의하여 공급되는 전류는 직렬로 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)과 물을 거쳐 접지로 흘러가고, 물의 저항 값은 1M??의 풀-업(pull-up)저항(150)에 비해 대단히 작기 때문에 도체센서(20)의 전압은 0V에 가까운 값이 되고, 중앙처리장치(110)는 노이즈필터(120)를 거쳐 입력되는 전압을 측정하여 이 신호를 0 즉, 로우(logic low)로 인식하게 되어 프로그램에 의하여 물이 있는 것으로 인식한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 수위 감지 장치는 기존의 수위센서보다 용이하게 수조에 고정시킬 수 있을 뿐만 아니라 별도의 센서를 사용하지 않고 물의 전도성을 이용하여 회로 내에 존재하는 부품과 프로그램으로 수위 감지 기능을 수행할 수 있도록 설계할 수 있으므로 회로의 설계가 용이하고 간편하다.
또한 본 발명은 금속 도체를 센서로 이용함으로서 센서가 쉽게 노후 되는 것을 방지할 수 있으며, 무부하시 초음파 진동자가 구동되는 것을 방지할 수 있어 진동자의 손상이나 회로의 파손에 의한 화재를 미연에 방지할 수 있으며, 동작 중에도 주기적인 물의 유무를 판단할 수 있어 초음파 기기를 안전하게 사용할 수 있으며, 도체센서의 통전 유무에 따라 물의 유무를 판단함으로서 센싱 오류를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예의 내용에 한정되지는 않으며, 본 발명의 기술분야에 익숙한 기술자라면, 본 발명의 실시예를 참고로 다양하게 변형, 부가할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 소정의 수용 공간을 갖는 수조(80)에 초음파발생회로(10)의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(70)를 하나 이상 구비한 전기, 전자 제품에 있어서,
    도전성 금속으로 만들어지고, 상기 수조(80)의 측면 중 최소한 한 면에 하나 이상이 서로 다른 높이로 고정 설치된 도체센서(20)와 ;
    Vcc와 GND 사이에 연결된 풀-업저항(150)과 ;
    상기 풀-업저항(150) 및 도체센서(20)와 GND 사이의 전류 흐름을 단속하는 트랜지스터스위치(140)와 ;
    상기 도체센서(20)와 초음파진동자(70)가 물에 잠김에 따라 도체센서(20)에 걸리는 전위를 측정하고, 상기 트랜지스터스위치(140)의 온/오프(on/off)를 제어하는 중앙처리장치(110)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수조(80)에 설치된 초음파진동자(70)는 금속 진동체(72)가 회로의 GND에 접속되어 상기 풀-업저항(150)과 도체센서(20) 및 수조내의 물의 전기 저항으로 이어지는 폐회로를 구성함을 특징으로 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 도체센서(20)와 연결된 풀-업(pull-up)저항(150)은 물의 전기 저항보다 높으며, 공급되는 Vcc값에 따라 전압 상승 값이 중앙처리장치에서 논리적으로 하이(high)값으로 인식되도록 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수조(80)에 고정 설치된 도체센서(20)는 그 일측 단부가 수조의 내측 표면으로 노출된 도체볼트(21)와 상기 도체볼트(21)를 수조에 고정시키는 너트(24) 및 상기 도체볼트(21)와 전기적으로 접속되고 전선(30)이 연결된 접속링(23)으로 구성되고,
    수조(80)와 도체센서(20)가 서로 만나는 부분에는 절연 및 누수 방지를 위한 절연링(22)과 절연튜브(25)가 설치됨을 특징으로 하는 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 수위 감지 장치에는 상기 도체센서(20)에서 감지된 신호로부터 잡음을 제거하기 위한 노이즈필터(120)를 더 구비함을 특징으로 하는 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 도체센서(20)는 카본-폴리머 전도체 등과 같은 비금속 전도체임을 특징으로 하는 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치.
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KR1020040073493A KR20060026126A (ko) 2004-09-14 2004-09-14 초음파 진동자를 갖는 기기의 수위 감지 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101440313B1 (ko) * 2014-05-23 2014-09-17 한국지질자원연구원 관정 측정 장치 및 그 방법
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