KR20060118377A - 전력 도출 장치 - Google Patents

Abstract

여기에 개시되어 있는 본 발명은 변환기의 다이어프램의 변위를 감지하기 위하여 홀 효과 센서를 사용하는 압력 전환기이다. 상기 압력 전환기는 4mA 내지 20mA 전류 루프로부터 전류를 도출하고 평균 40mA 이하의 비율로 상기 홀 효과 센서에 전류를 전달하기 위하여 전력 공급기를 포함한다.

Description

전력 도출 장치{A apparatus for drawing power}

도 1은 홀 효과 센서를 포함하는 3개의 챔버 압력 변환기(transducer)의 단면도이다.

도 2는 홀 효과 장치 전력 공급기를 위한 실시예의 전기 모식도이다.

도 3은 포인터 디스플레이 장치 상에 홀 효과 센서와 자석의 배치를 보여주는 사시도이다.

본 발명은 유체의 압력을 측정하기 위한 차압(differential pressure) 변환기(transducer)와 전력을 도출하는 장치에 관한 것이다.

여기에 기술된 본 발명은 기계적 움직임을 전기 신호로 변환하기 위하여 자석 및 홀 효과 센서를 사용하는 압력 변환기이다. 홀 효과 센서가 없는 압력 변환기는 본 분야에서 잘 알려져 있다. 압력 변환기는 통상적으로 가요성 다이어프램(diaphragm)에 의해 분리된 2개의 공간(plenum) 또는 챔버(chamber)를 포함한다. 상기 공간은 상이한 압력을 받고 있는 가스 또는 액체와 같은 유체에 노출되어 있다. 이러한 압력 차이는 더 낮은 압력에 노출된 공간의 방향으로 상기 다이어프램 의 변위를 야기한다. 상기 다이어프램은 기계적 구성품에 연결되어 있고, 상기 기계적 구성품은 상기 다이어프램이 변위될 때, 움직인다.

예컨대, 상기 기계적 구성품은 2개의 단부 즉, 공간의 벽이나 기준이 되는 다른 고정된 포인트에 고정된 일단과, 상기 다이어프램에 고정되어 상기 다이어프램과 함께 움직이는 타단을 가지는 압전 스트립(piezoelectric strip)일 수 있다. 상기 압전 스트립의 전기적 속성은 상기 압전 스트립이 상기 다이어프램의 움직임에 의해 구부러짐에 따라 변한다. 이러한 전기적 변화는 압력 값을 나타내기 위하여 다른 전기적 구성품에 의해 처리될 수 있다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 기계적 움직임을 전기적 신호로 변환하기 위한 다른 장치가 상기 다이어프램의 움직임을 변환하는 데 또한 사용될 수 있다.

본 발명에서는, 자석 및 홀 효과 센서가 기계적 움직임을 전기 신호로 변환하는 데 사용된다. 여기에 개시되어 있는 본 발명의 전력 보존 특성들은 홀 효과 장치의 사용에 국한되지 않고, 움직임을 감지하기 위하여 다른 구조물을 사용하는 기구에 적용될 수 있다. 전력 회로는 낮은 평균 전류 드로우(average current draw)가 요구되는 다른 적용예에도 또한 사용될 수 있다.

상기 자석 및 상기 홀 효과 센서 사이의 상호작용은 그들 사이의 소재에도 일어날 수 있기 때문에, 홀 효과 센서 및 자석을 사용하는 것은 상기 압력 변환기의 기계적 및 전기적 구성품이 물리적으로 분리되는 것을 허용한다. 바람직한 실시예에서는 차압 센서 내의 유체와 기계적 빔과 자석이 벽에 의하여 상기 홀 효과 센서를 포함한, 전자장치와 분리되어 있는 배치를 보여주고 있다.

많은 압력 전송기 적용예들은 작동을 위하여 4~20mA 전류 루프(current loop)를 사용한다. 그러한 경우, 상기 4~20mA 전류 루프는 장치 전력 및 제어 신호용 신호 경로를 제공한다. 상기 적용예에서 사용된 대부분의 전류 루프는 10과 35V 공급 전압 사이에서 운용되도록 규정되어 있다. 상기 공급 전압 및 전류 제한의 결과로서, 상기 전압 전송기는 가장 낮은 가용 전력, 즉 4mA×10V=40mW에 동등한 전력 레벨에서 작동될 수 있어야 한다. 다시 말해, 상기 가용 전력은 상기 전류 신호에 따라서, 그리고 적용예에 따라서 변할 수 있기 때문에, 의존할 수 있는 전력의 최대량은 40mW이다. 따라서, 어떤 적용예에서는 보다 높은 양이 가용할지라도, 상기 장치는 상기 전력량에서 운용될 수 있을 필요가 있다.

오늘 날, 입수가능한 대부분의 홀 효과 장치는 40mW 이상의 전력을 소모한다는 점에서 문제가 있다. 예컨대, 마이크로나스사(Micronas社)로부터 입수 가능한 HAL805와 HAL810은 작동하기 위하여 최소 4.5V에서 적어도 10mA의 가용 전류를 필요로 한다. 이는 작동을 달성하기 위한 최소 전력 부하 10mA×4.5V=45mW이다. 이러한 전력 요구조건을 가지고는, 전송기의 나머지 부분을 운용하기 위해 남겨진 전력이 없을 뿐만 아니라 홀 효과 센서 그 자체를 운용할 전력도 충분하지 않다.

이러한 문제는, 상기 홀 센서에 전력을 가하고, 측정을 행한 다음, 연장된 시간 간격 동안에 전력을 제거함으로써, 해결된다. 그러한 방식으로, 상기 홀 센서의 듀티 사이클(duty cycle)이 조절된다. 상기 변환기의 다이어프램 또는 빔의 위치는 연속적으로 모니터링될 필요는 없다. 대부분의 적용예에서, 상기 홀 효과 센서는 시간의 상당 부분 동안 꺼져 있을 수 있어, 전력의 상당량을 절약할 수 있 다. 통상적인 적용예에서는, 상기 센서의 듀티 사이클은 1:2 내지 1:100 사이의 어느 값으로도 설정될 수 있으며, 이러한 수치를 벗어나는 다른 범위의 값도 가능하다. 다른 범위가 가능하지만, 평균 전류 드로우 및 상기 센서로의 서지 전류의 제한은 여전히 달성되어야 한다. 어떤 실시예에서는, 전력을 가하는 상기 듀티 사이클 또는 기간은 사용자에 의해 선택적으로 변할 수 있다. 그러한 선택 회로는 사용자로 하여금 복수의 시간 회로로부터 선택하도록 다중-위치(multi-position) 스위치 또는 다른 구조물을 포함할 수 있다.

마이크로나스사의 HAL810과 같은 집적 반도체 센서의 경우에 있어서, 상기 센서는 온 상태로 될 수 있으며, 안정화된 검출(reading)이 대략 40mS 내에 이루어질 수 있다. 만일 검출이 매 400mS 마다 한번 행해지면, 상기 센서의 평균 전력 요구조건은 1/10로 줄어들 수 있다. 이것은, 4.5V에서 1mA의 센서로부터의 평균 전류 드로우에 대하여 상기 홀 효과 센서의 평균 전력 드로우가 4.5mW로 줄어든다는 것을 의미한다. 이는 전류 루프 상태에서 상기 센서에 전달될 수 있는 전력의 양이다. 남아있는 대략 35mW의 가용전력은 상기 전송기의 나머지 부분을 운용하는데 사용될 수 있다.

마찬가지로 수용 가능한 듀티 사이클이 전력 드로우와 스타트 업 및 안정화 시간에 의존하는 대부분의 다른 홀 효과 센서에도 행해질 수 있다. 전력 감소를 달성하기 위하여, 평균적으로 4~20mA 루프로부터 에너지를 도출할 수 있고, 상기 센서가 요구하는 피크 기저(peak basis)로 상기 홀 효과 센서에 에너지를 전달할 수 있는 상기 홀 효과 센서를 위해 적절한 전력 공급기가 필요하다. 바람직한 실 시예에서 기술된 바와 같이, 상기 전류 루프로부터 전력을 도출하고, 상기 홀 효과 센서에 전력이 공급될 때까지 상기 전력을 저장하기 위하여 저역통과필터가 사용된다. 당업자는 여기에 기술되어 있는 전력 공급기가 상기에 기술된 목적을 만족시킬 수 있는 많은 전력 공급기 중의 단지 하나임을 인지할 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기계적 움직임을 전기 신호로 변환하기 위하여 자석 및 홀 효과 센서 등을 사용하는 압력 변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1을 참조하면, 변환기(10)는 3개의 격리된 챔버 또는 공간 즉, 다이어프램(diaphragm)(20) 위쪽의 상부 압력 챔버(15), 상기 다이어프램(20) 아래쪽의 하부 압력 챔버(16), 및 상기 상부 압력 챔버(15) 위쪽의 분리된 전자장치 챔버(17)를 포함한다. 가요성 다이어프램(20)은 상기 상부 챔버 및 상기 하부 챔버를 분리한다. 상기 상부 챔버(15) 및 상기 하부 챔버(16)는 각각의 벽에 의해 형성된 상기 공간과 유체 소통하는 것을 허용하는 포트(25A, 25B)를 포함한다. 상기 상부 챔버(15)는 상기 다이어프램(20)에 부착된 빔(30)을 포함한다. 상기 빔(30)은 상기 다이어프램(20)에 연결되어 있고, 상기 다이어프램(20)과 연동한다. 실시예에서는, 상기 빔(30)은 상기 다이어프램(20)으로부터 수직되게 연장되어 있는 포스트(post)(31)에 의해 상기 다이어프램(20)에 연결되어 있다. 자석(35)이 상기 빔(30)의 일단에 부착되어 있다. 상기 빔(30)은, 상기 빔(30) 및 상기 자석(35)이 상기 포스트(31)를 중심으로 대체적으로 균형을 이루도록, 상기 포스트(31)에 부착되어, 상기 다이어프램(20) 상에서 뒤틀림 힘을 최소화한다. 당업자는 상기 빔 및 상기 포스트가 많은 다양한 형태 및 형상을 가질 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 실시예에서는, 상기 빔(30)은 스프링이며, 상기 다이어프램(20)은 그 양측에서의 차압에 비례하는 힘을 상기 스프링에 가한다. 상기 스프링의 움직임은 가해지는 힘에 비례하므로, 상기 자석(35)의 변위는 상기 차압에 정비례한다. 상기 다이어프램(20)의 움직임을 상기 자석(35)에 전하는 다른 구조물도 가능하다.

다른 실시예에서, 상기 포스트(31) 및 상기 빔(30)은 제거되고, 상기 자석(35)은 상기 다이어프램(20)에 직접 부착되어 있다. 대안으로는, 단일의 구조 부재가 상기 자석(35)을 상기 다이어프램(20)에 부착할 수 있다.

상기 자석(35)은 상기 전자장치 챔버(17) 내에 위치하는 홀 효과 센서(Hall effect sensor)(40)와 작동관계에 있도록 배치되어, 상기 자석(35)의 자장이 상기 홀 효과 센서(40)에 전압 응답 또는 신호를 생성하도록 한다. 실시예에서는, 상기 홀 효과 센서(40)가 상기 자석(35)으로부터 분리된 챔버 내에 위치하고 있지만, 당업자는 상기 홀 효과 센서(40)가 상기 전자장치 챔버(17) 내에 위치할 필요 없고, 상기 빔(30) 또는 상기 자석(35)과 동일한 챔버 내에 위치할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 여기에 기술되어 있는 상기 홀 효과 센서(40) 및 자석(35), 전력 공급기는 전자장치용으로 분리된 챔버를 필요로 하지 않으면서 2개의 챔버로 이루어진 변환기와 함께 사용될 수 있다. 이리하여, 당업자는 상기 홀 효과 센서(40)가 상기 하부 압력 챔버(16) 내에 또한 배치될 수 있다는 것을 인지할 것이다.

상기 홀 효과 센서(40)는 상기 빔(30) 또는 상기 자석(35)에 직접적으로 접촉하고 있지 않기 때문에, 챔버 벽(50)은 상기 홀 효과 센서(40)와 상기 빔(30) 또는 상기 자석(35) 사이에 배치될 수 있다. 실시예에 나타나 있는 바와 같이, 상기 홀 효과 센서(40)와 상기 자석(35)은 상기 전자장치 챔버(17)와 상기 상부 압력 챔버(15) 사이에 구획을 형성하는 상기 벽(50)에 의해 분리된다. 이러한 배치를 가지고, 상기 변환기의 전자장치는 모니터링되고 있는 유체로부터 분리된다. 본 발명의 교시로부터 당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 상기 전자장치 챔버(17)는 제거될 수 있으며, 상기 홀 효과 센서(40)를 포함하여, 상기 전자장치는 상기 상부 압력 챔버(15)와 상기 하부 압력 챔버(16)의 외측 경계를 형성하는 하우징의 바깥에 위치할 수 있다. 그러나, 상기 전자장치를 분리된 챔버 내에 배치하는 것은 주위의 파트들로부터 상기 전자장치를 보호하게 되므로, 바람직하다.

실시예에서, 상기 전자장치 챔버(17)는 상기 자석(35)과 자기적으로 연결되도록 배치된 상기 홀 효과 센서(40)를 포함한다. 상기 홀 효과 센서(40)는, 전자장치를 제어하기 위해 압력 정보를 전달하거나, 압력 정보를 디스플레이하는 적절한 전자회로소자에 상기 홀 효과 센서를 연결하기 위하여 배선 또는 다른 전자 경로(47)를 포함한다. 당업자는, 그러한 변환기 또는 디스플레이 전자회로소자가 상기 홀 효과 센서(40)의 전압 응답을 전류 신호로 변환하고, 전류 루프 상에 신호를 전달한다는 것을 쉽사리 인지할 것이다.

센서를 신중하게 선택하여, 도 1에서의 장치는 상기 빔(30)의 움직임을 선형적으로 감지한다. 따라서, 상기 장치는 압력 스위치뿐만 아니라 압력 전송기용으 로 유용하다.

도 2는 본 실시예의 HAL810 홀 효과 센서용 전력 공급기(90)의 구현을 나타낸다. 이것은 다른 홀 효과 센서에 쉽게 적용될 수 있다. 도 2의 전력 공급기 개략도에 도시된 5 볼트 공급기는 전류 루프의 10 내지 35 볼트 입력기로부터 뻗어 나온 선형 레귤레이터(미도시)로부터 도출된다. 이 5V 공급기는 또한 모든 다른 압력 전송기 전력 요구조건을 만족시킨다. 상기 선형 레귤레이터는 전체 전송기 로의 가용 전력을 5 볼트에서 4 mA 즉 5V×4mA=20mW로 제한하지만, 전력을 공급하는데 가장 비용이 저렴한 방법이기 때문에 선호된다. 만일 더 많은 전력이 요구된다면, 상기 선형 레귤레이터는 스위치 레귤레이터에 의해 대체될 수 있으며, 스위치 레귤레이터의 효율에 따라 거의 100%의 가용전력 40mW가 달성될 수 있다.

상기 공급기의 기본 개념은 단지 상기 센서의 평균 전류가 상기 5V 공급기로부터 도출되도록 상기 홀 효과 센서로부터 도출된 공급기 전류를 저역통과필터링(low pass filter)하는 것이다. 상기 공급기는 전류 루프에 전기적으로 연결되어 있고, 와이어 W1 및 W2에 의해 전류 루프의 일부를 형성한다. 저항기(R5, R7)와 더불어 축전기(C7) 및 Q2가, Q2가 온 상태일 때, 저역통과필터(100)를 형성한다. 평균 전류는 상기 5V 공급기 및 C7을 가로지르는 전압 사이의 평균 전압 차이에 근거하여, 상기 저항기(R5, R7)와 트랜지스터(Q2)를 통하여 도출된다. 평균 전류에서의 리플(ripple)은 Q3이 온 되었을 때, C7을 가로지르는 전압이 얼마나 변하는지에 의해 정해지며, 전류는 커넥터(PJ6)로의 연결을 통하여 상기 홀 효과 센서(미도시)에 공급된다. C7을 가로지르는 전압은 상기 홀 효과 센서의 최소 전압 요 구조건을 만족시키도록 충분히 높게 유지되어야 한다. 이상적으로는, C7은 상기 저항이 0으로 감에 따라 무한한 용량으로 갈 것이다. 상기 홀 효과 센서를 위한 최소 공급 전압이 상기 5V 공급기의 최소 전압보다 작은 한, 상기 값들에 대한 현실적인 보상은 항상 발견될 수 있다. 실시예에서, 상기 저항기 및 축전기 값은 1:9 듀티 사이클을 제공하도록 선택된다. 그러한 사이클은 40ms 동안 상기 홀 효과 센서에 전력을 공급하고, 360ms 동안 충전한다. 다른 듀티 사이클은 상기 평균 전류 드로우가 4mA 미만인 한, 작동할 수 있으며, 상기 센서에 전력을 제공하는 서지 전류는 안정된 검출을 얻기 위해 필요한 시간 기간 동안 적어도 4mA이다.

트랜지스터(Q2) 및 저항기(R11)의 목적은 스타트 업(start up) 조건을 위해 스타트 업 전류(110)를 형성하는 것이다. C7은 완전히 방전된 상태에서 출발하기 때문에, 상기 5V 공급기에서의 전류 드로우는 가용한 것보다 높을 수 있다. 스타트 업 충전 저항기 값을 운용 값으로부터 분리함으로써 상기 스타트 업 서지는 제한될 수 있다.

Q4 및 R10은 상기 5V 공급기가 폐쇄되었을 때, C7을 위해 신속한 방전 경로를 제공하기 위해 방전 회로(120)를 형성한다. 이것은 C7이 상기 5V 공급기로 되돌려 공급하는(back feed) 것을 방지하며, 상기 전송기에 불충분한 셧다운(shut down)을 야기하는 것을 방지한다. 4~20mA 루프로부터 전류 드로우를 유연하게 하는 다른 공급기 장치가 가능하다.

전력이 공급될 때, 상기 홀 효과 센서(40)는 와이어 W3에 신호를 공급한다. 상기 신호는 전압 응답일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 신호는 펄스폭변조 된(pulse width modulated) 전압 신호이다. 이러한 형식의 신호는 상기 센서(40)의 출력에 따른다. 다른 실시예에서, 상기 신호는 전류 신호 또는 다른 데이터 흐름일 수 있다. 전압에 기초한 신호의 경우, 상기 신호는 그 후 상기 신호를 상기 전류 루프에서의 전송용 전류 신호로 변환하기 위하여 전송기에 전달된다.

도 3은 포인터 디스플레이(pointer display) 장치의 한 부분으로서 본 발명을 나타내고 있다. 상기 장치(60)는 c 형상의 자석(72)에 의해 헬릭스(helix)(71)에 유도된 힘에 응답하여 움직이는 포인터(70)를 포함한다. 상기 c 형상의 자석(72)은 리프 스프링(leaf spring)(75)의 일단에 장착되어 있고, 상기 리프 스프링(75)의 타단은 클램프(77)에 고정되어 있다. 상기 리프 스프링(75)은 포스트(79)에 의해 다이어프램(미도시)에 연결되어 있고, 가해지는 차압에 의해 다이어프램이 변위될 때, 상기 리프 스프링(75) 및 상기 c 형상의 자석(72)이 움직이도록 한다. 상기 c 형상의 자석(72)은 움직일 때, 상기 헬릭스(71)와 자기적으로 상호 작용하여 상기 포인터(70)가 움직이도록 한다.

홀 효과 센서는 상기 c 형상의 자석(72)에 자기적으로 연결되도록 배치되어, 상기 c 형상의 자석의 움직임에 대응하는 전기 신호를 생성한다. 대안으로는, 분리된 자석(80)은 상기 리프 스프링(75) 상에 배치되거나 상기 리프 스프링에 연결될 수 있다. 홀 효과 센서(85)는 자석이 움직일 때, 신호를 생성하기 위하여 상기 자석(80) 가까이에 배치된다.

이러한 장치를 사용하여, 동일 빔의 휨(deflection)이 포인터와 전송기 모두를 제어하고, 어느 출력에도 부정확성을 가함이 없이 행해진다. 이는 최소의 추가 부품으로 현존하는 포인터 디스플레이 디자인에 전송기 성능을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 여기에 기술된 본 발명은, 여기에 기술된 일반적인 원칙에 일치되게 다양한 지시기(indicator)와 함께 사용될 수 있다.

상기한 구성을 가진 본원발명에 의하면, 동일 빔의 휨이 포인터와 전송기 모두를 제어하고, 어느 출력에도 부정확성을 가함이 없이 행해진다. 이는 최소의 추가 부품으로 현존하는 포인터 디스플레이 디자인에 전송기 성능을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 여기에 기술된 본 발명은, 여기에 기술된 일반적인 원칙에 일치되게 다양한 지시기(indicator)와 함께 사용될 수 있다.

또한, 홀 센서에 전력을 가하고 측정을 행한 다음, 연장된 시간 간격 동안에 전력을 제거함으로써, 전력의 상당량을 절약할 수 있다.

Claims (8)

1. 프로세스 제어 전류 루프로부터 전력을 도출하는 전력 도출 장치에 있어서,

   센서, 및

   상기 전류 루프에 전기적으로 연결되어 있는 저역통과필터

   를 포함하며,

   상기 센서는 상기 저역통과필터로부터 전류를 받는 것

   을 특징으로 하는 전력 도출 장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 전류 루프 및 상기 저역통과필터 사이에 전기적으로 연결된 스타트 업 회로(start up circuit)를 더 포함하며, 상기 스타트 업 회로는 상기 저역통과필터의 전류 드로우를 제한하는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치
3. 제1항에 있어서,

   상기 센서는 홀 효과 센서이고, 자기 플럭스(전압이 아니라 PWM 신호임)에 비례하는 신호를 생성하며, 상기 신호는 전류, 전압, 펄스폭 신호, 시리얼 데이터 스트림(serial data stream) 등일 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치
4. 제3항에 있어서,

   상기 신호를 상기 전류 루프에서 전류 신호로 변환하기 위하여 전송기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치
5. 제1항에 있어서,

   기준 전압을 제공하기 위하여 전압 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치
6. 제1항에 있어서,

   상기 저역통과필터는 상기 전류 루프로부터 4mA 이하의 전류를 도출하는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치
7. 제6항에 있어서,

   상기 센서는 1:2 내지 1:100의 범위 내에서 선택될 수 있는 선택 가능한 듀티 사이클을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치
8. 제6항에 있어서,

   상기 센서는 1:9 듀티 사이클을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 도출 장치

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