KR20090071900A - Ratiometric capacitive liquid level sensor - Google Patents

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KR20090071900A
KR20090071900A KR1020070139837A KR20070139837A KR20090071900A KR 20090071900 A KR20090071900 A KR 20090071900A KR 1020070139837 A KR1020070139837 A KR 1020070139837A KR 20070139837 A KR20070139837 A KR 20070139837A KR 20090071900 A KR20090071900 A KR 20090071900A
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level sensor
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KR1020070139837A
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김기엽
이초수
김성태
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주식회사 트루윈
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Abstract

A capacitance liquid level sensor is provided to lengthen service life and reduce malfunction by sensing liquid quantity through capacitance difference between a part sunk in liquid and a part which is not sunk in liquid. A capacitance liquid level sensor comprises: a substrate(10) of a sheet form; a pair of left condenser electrodes(30) and right condenser electrodes(40) being arranged in a plurality of rows at constant intervals; and an plurality of ground electrodes(20) arranged between the row of the right condenser electrode and the left condenser electrode. The length of a pair of left condenser electrode and right condenser electrode is gradually varied in the opposite direction. A plurality of ground electrodes are electrically connected.

Description

정전용량형 액체 레벨센서 {Ratiometric Capacitive Liquid Level Sensor}Capacitive Liquid Level Sensor

본 발명은 정전용량형 액체 레벨센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체에 잠긴 부분과 잠기지 않은 부분 사이의 캐패시턴스 차이를 이용하여 액체량을 감지하므로 오작동의 우려가 없으며 장기간 사용이 가능한 정전용량형 액체 레벨센서에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive liquid level sensor, and more particularly, a capacitive liquid that can be used for a long time because there is no risk of malfunction because the amount of liquid is sensed by using a capacitance difference between a submerged part and a submerged part. It relates to a level sensor.

일반적으로 휘발유, 경유, LPG 등의 연료를 사용하는 자동차의 경우 연료탱크 내부에 연료의 잔량을 감지하기 위한 연료 레벨센서(연료 게이지)를 설치하고 있다.In general, in the case of vehicles using gasoline, diesel, LPG, etc., a fuel level sensor (fuel gauge) is installed in the fuel tank to detect the remaining amount of fuel.

대부분의 연료 레벨센서는 플로트의 부력을 이용하는 방식으로 구성되며, 기계적인 접점과 각 접점에 따라 변하는 저항값에 따라 연료의 레벨을 감지하도록 구성된다. 예를 들면 플로트에 연결된 레버의 끝부분에 접점을 설치하고, 센서쪽에 각각 저항값이 순차적으로 변하는 다수의 접점을 설치하여, 플로트가 연료의 양에 따라 높낮이가 변하면서 접촉하는 접점이 선택되고, 그 저항값에 대응하여 연료의 레벨을 감지하도록 구성된다.Most fuel level sensors are constructed in a way that uses the buoyancy of the float and is configured to detect the level of fuel in accordance with the mechanical contact and the resistance value that varies with each contact. For example, a contact point is provided at the end of the lever connected to the float, and a plurality of contact points each of which sequentially change resistance values are installed on the sensor side, so that the contact point where the float changes depending on the amount of fuel is selected. And to sense the level of fuel in response to the resistance value.

종래 연료 레벨센서의 경우에는 기계적인 접점을 사용하므로, 장기 사용시에 접촉불량 등의 문제가 발생할 우려가 많고, 수명이 짧다는 문제가 있다.In the case of the conventional fuel level sensor, since the mechanical contact is used, there is a high possibility that problems such as poor contact may occur during long-term use, and there is a problem that the life is short.

그리고 접점을 단계별로 설치하는 데 있어 한계가 있으므로, 정확한 연료량을 측정하는 것이 어렵다.And because there are limitations in installing the contacts step by step, it is difficult to measure the exact amount of fuel.

또 종래 연료 레벨센서의 경우에는 플로트의 부력을 이용하므로, 언덕길을 오르거나 내려갈 때에 연료가 탱크의 한쪽으로 쏠리는 경우 연료량을 잘못 측정할 우려가 많다.In addition, in the case of the conventional fuel level sensor, the buoyancy of the float is used, so when the fuel is directed to one side of the tank when going up or down the hill, there is a possibility that the amount of fuel is incorrectly measured.

특히 언덕길을 오를 때에 연료가 충분하게 있는 데도 연료부족으로 표시되거나 언덕길을 내려갈 때에 연료가 많지 않은 데도 과충전으로 표시될 우려가 있다.In particular, there is a risk of being overcharged even when there is not enough fuel when going up a hill, or when there is not much fuel when going down a hill.

미국특허 제5,175,505호에는 기계적 접점을 사용하지 않는 정전용량형 센서의 일예가 공개되어 있다.U.S. Patent No. 5,175,505 discloses an example of a capacitive sensor that does not use mechanical contacts.

그러나 미국특허 제5,175,505호의 경우에는 단수에 따라 컨넥터의 핀수가 증가하여 회로 및 구조가 복잡하게 구성되고, 초기 세팅시에 표준 비교물질이 필요하다는 문제가 있다.However, in the case of US Patent No. 5,175,505, the number of pins of the connector increases according to the number of stages, and the circuit and the structure are complicated, and there is a problem that a standard comparator is required at the initial setting.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다단으로 설치되고 길이가 서로 반대방향으로 가변되는 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극을 다단의 접지전극이 둘러싸도록 설치하여 액체에 잠긴 부분과 잠기지 않은 부분 사이의 캐패시턴스 차이를 이용하여 액체량을 감지하므로 오작동의 우려가 없으며, 기계적인 접점을 사용하지 않아 장기간 사용이 가능한 정전용량형 액체 레벨센서를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to solve the problems as described above, the part is installed in a multi-stage and the length of the left capacitor and the right condenser electrode is installed in such a way that the multi-stage ground electrode surrounds a portion submerged in liquid It is to provide a capacitive liquid level sensor that can be used for a long time without using a mechanical contact because it detects the amount of liquid by using the capacitance difference between the non-locked portion.

또 본 발명의 다른 목적은 단수에 관계없이 컨넥터의 핀수가 3개만 필요하므로 회로 및 구조가 간단하게 이루어지고 초기 세팅시에 표준 비교 물질이 불필요하여 생산성이 우수하고 제조원가가 저렴하며 다양한 용도에 적용하는 것이 가능한 정전용량형 액체 레벨센서를 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention is that the circuit and the structure is simple because only three pins of connectors are required regardless of the number of stages. It is possible to provide a capacitive liquid level sensor.

본 발명이 제안하는 정전용량형 액체 레벨센서는 판형상의 기판과, 상기 기판에 일정 간격을 두고 서로 반대로 길이가 단계적으로 가변하도록 다수의 행으로 배열 설치되는 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극과, 상기 기판에 다수의 행으로 배열 설치되는 상기 좌콘덴서 전극 및 우콘덴서전극의 행 사이사이 및 최상단 위쪽과 최하단 아래쪽에 상기 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극을 둘러싸도록 설치되는 접지전극을 포함하여 이루어진다.The capacitive liquid level sensor proposed by the present invention includes a plate-shaped substrate, a pair of left capacitor electrodes and a right capacitor electrode arranged in a plurality of rows such that the lengths of the substrates vary in stages with a predetermined distance therebetween; And a ground electrode disposed between the rows of the left capacitor electrode and the right capacitor electrode arranged in a plurality of rows on the substrate, and surrounding the left capacitor electrode and the right capacitor electrode at an upper end and a lower end thereof.

상기에서 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극은 각각 행으로 배열 설치되 며 각 단마다 길이가 단계적으로 변화하는 복수의 행전극과 상기 복수의 행전극을 병렬로 연결하는 하나의 연결전극으로 이루어진다.The pair of left capacitor electrodes and the right capacitor electrodes are arranged in rows, respectively, and include a plurality of row electrodes whose lengths vary in stages and one connection electrode connecting the plurality of row electrodes in parallel.

그리고 본 발명의 정전용량형 액체 레벨센서는 상기 접지전극에 전류를 인가하는 발진기와, 상기 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극으로부터 얻어지는 정전용량을 전압값으로 변환하는 전압변환기와, 상기 전압변환기에서 전압으로 변환되어 출력되는 값을 사용하여 액체량을 산출하는 중앙처리부를 더 포함한다.The capacitive liquid level sensor of the present invention includes an oscillator for applying current to the ground electrode, a voltage converter for converting capacitance obtained from the pair of left and right capacitor electrodes into a voltage value, and in the voltage converter. It further includes a central processing unit for calculating the amount of liquid using a value converted into a voltage output.

상기 중앙처리부는 얻어진 값에서 공기중(액체가 없는 경우)의 값을 제거하는 오프셋(offset) 조절기와, 상기 오프셋 조절기를 거친 상기 우콘덴서전극으로부터 얻어지는 값에서 좌콘덴서전극으로부터 얻어지는 값을 감산하는 차동증폭기와, 상기 오프셋 조절기를 거친 상기 우콘덴서전극으로부터 얻어지는 값에 좌콘덴서전극으로부터 얻어지는 값을 합산하는 합산기와, 상기 차동증폭기로부터 얻어지는 값을 상기 합산기로부터 얻어지는 값으로 나누는 제산기를 포함하여 이루어진다.The central processing unit offsets a value obtained from a left capacitor electrode from a value obtained from an offset controller which removes a value in air (when there is no liquid) from the obtained value, and the right capacitor electrode passed through the offset controller. And an amplifier, a summer that adds the value obtained from the left capacitor electrode to the value obtained by the right capacitor electrode through the offset adjuster, and a divider that divides the value obtained from the differential amplifier by the value obtained from the summer.

상기 중앙처리부는 상기 제산기로부터 출력되는 값에 일정한 값의 기준전압을 곱하는 승산기를 더 포함하는 것도 가능하다.The central processor may further include a multiplier that multiplies a value output from the divider by a reference voltage having a predetermined value.

본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서에 의하면, 다단으로 설치되며 일정한 간격을 두고 길이가 서로 반대방향으로 단계적으로 가변되는 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극을 접지전극이 감싸도록 설치하여 액체에 잠긴 부분과 잠기지 않은 부분(공기 중에 노출된 부분) 사이의 캐패시턴스(정전용량) 차이를 이용하여 액체량을 감지하며 기계적인 접점을 사용하지 않으므로, 반영구적으로 사용하는 것 이 가능하고, 오작동의 우려가 없다.According to the capacitive liquid level sensor according to the present invention, a pair of left and right capacitor electrodes, which are installed in multiple stages and whose lengths are gradually changed in opposite directions at regular intervals, are installed to surround the ground electrode. The amount of liquid is sensed using the capacitance (capacitance) difference between the locked and unlocked parts (the exposed part in the air), and since it does not use mechanical contacts, it is possible to use it semi-permanently. none.

또 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서에 의하면, 구조가 간단하고 부품이 적으므로, 원가절감이 가능하며, 조립 및 설치가 용이하다.In addition, according to the capacitive liquid level sensor according to the present invention, since the structure is simple and there are few parts, cost reduction is possible and assembly and installation are easy.

그리고 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서에 의하면, 자동차 연료 게이지에 적용하는 경우 자동차가 언덕과 같은 경사로를 진행할 때에도 연료의 양과 경사여부를 함께 확인하는 것이 가능하므로, 엔진 제어부가 오작동을 일으킬 우려가 없다.In addition, according to the capacitive liquid level sensor according to the present invention, when it is applied to an automobile fuel gauge, it is possible to check the amount of fuel and whether the vehicle is inclined even when the vehicle proceeds on a slope such as a hill, so that the engine controller may malfunction. There is no.

본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서에 의하면, 최종 출력되는 출력전압값이 일차방정식으로 나타내어지므로, 직선적인 출력신호가 얻어지며, 대량 생산을 하는 경우에도 품질의 균일도를 유지하는 것이 용이하다.According to the capacitive liquid level sensor according to the present invention, since the final output voltage value is represented by the first equation, a linear output signal is obtained, and it is easy to maintain the uniformity of quality even in mass production.

다음으로 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a preferred embodiment of the capacitive liquid level sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

먼저 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 일실시예는 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 기판(10)과, 복수의 접지전극(20), 한쌍의 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)을 포함하여 이루어진다.First, an embodiment of the capacitive liquid level sensor according to the present invention, as shown in Figures 1 to 3, the substrate 10, a plurality of ground electrodes 20, a pair of left capacitor electrode 30 and the right And a capacitor electrode 40.

상기 기판(10)은 절연재질로 형성하며, 플렉시블한 형상으로 형성하는 것도 가능하다.The substrate 10 may be formed of an insulating material, and may be formed in a flexible shape.

상기 접지전극(20)은 상기 기판(10)에 일정 간격을 두고 다수의 행으로 배열 설치된다.The ground electrodes 20 are arranged in a plurality of rows at regular intervals on the substrate 10.

상기 접지전극(20)은 서로 전기적으로 연결되며 하나의 접지단자(28)를 통하여 전원이 인가된다.The ground electrodes 20 are electrically connected to each other and power is applied through one ground terminal 28.

상기 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)은 상기 접지전극 사이에 상기 접지전극과 일정 간격을 두고 배열 설치된다.The left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 are arranged to be spaced apart from the ground electrode at a predetermined interval between the ground electrodes.

상기 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)은 서로 반대로 길이가 단계적으로 가변하도록 배열 설치된다.The left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 are arranged so that their lengths vary in stages opposite to each other.

상기 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)은 각각 행으로 배열 설치되며 각 단마다 길이가 단계적으로 변화하는 복수의 행전극(32), (42)과 상기 복수의 행전극(32), (42)을 병렬로 연결하는 하나의 연결전극(34), (44)으로 이루어진다.The left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 are arranged in rows, and each of the plurality of row electrodes 32, 42 and the plurality of row electrodes 32, the length of which is varied step by step, is provided. And one connection electrode 34 and 44 for connecting 42 in parallel.

상기 연결전극(34), (44)에는 각각 출력단자(38), (48)가 연결된다.Output terminals 38 and 48 are connected to the connection electrodes 34 and 44, respectively.

그리고 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 일실시예는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 접지전극(20)에 전류를 인가하는 발진기(50)와, 상기 한쌍의 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)으로부터 얻어지는 정전용량을 전압값으로 변환하는 전압변환기(60)와, 상기 전압변환기(60)에서 전압으로 변환되어 출력되는 값을 사용하여 액체량을 산출하는 중앙처리부(70)를 더 포함한다.And one embodiment of the capacitive liquid level sensor according to the present invention, as shown in Figure 2, the oscillator 50 for applying a current to the ground electrode 20, the pair of left capacitor electrode 30 and A voltage converter 60 for converting the capacitance obtained from the U condenser electrode 40 to a voltage value, and a central processing unit 70 for calculating the amount of liquid using the value converted from the voltage converter 60 to the voltage and output. It further includes.

상기 발진기(50)에는 초기화하기 위한 리셋기능을 추가하는 것도 가능하다.It is also possible to add a reset function for initializing the oscillator 50.

상기 중앙처리부(70)는 얻어진 값에서 공기중(액체가 없는 상태)의 값을 제거하는 오프셋(offset) 조절기(72)와, 상기 오프셋 조절기(72)를 거친 상기 우콘덴서전극(40)으로부터 얻어지는 값에서 좌콘덴서전극(30)으로부터 얻어지는 값을 감산하는 차동증폭기(74)와, 상기 오프셋 조절기(72)를 거친 상기 우콘덴서전극(40) 으로부터 얻어지는 값에 좌콘덴서전극(30)으로부터 얻어지는 값을 합산하는 합산기(75)와, 상기 차동증폭기(74)로부터 얻어지는 값을 상기 합산기(75)로부터 얻어지는 값으로 나누는 제산기(76)를 포함하여 이루어진다.The central processing unit 70 obtains an offset controller 72 which removes a value of air (no liquid) from the obtained value, and the U condenser electrode 40 obtained through the offset controller 72. The value obtained from the left capacitor electrode 30 is set to the value obtained from the differential amplifier 74 subtracting the value obtained from the left capacitor electrode 30 from the value and the right capacitor electrode 40 passed through the offset adjuster 72. A summer 75 that adds up, and a divider 76 that divides the value obtained from the differential amplifier 74 by the value obtained from the summer 75.

상기 중앙처리부(70)는 상기 제산기(76)로부터 출력되는 값에 기준전압을 곱하는 승산기(78)를 더 포함하는 것도 가능하다.The central processing unit 70 may further include a multiplier 78 that multiplies the value output from the divider 76 by a reference voltage.

또 상기 중앙처리부(70)에는 아날로그데이터를 디지털데이터로 변환하는 아날로그/디지털 변환기를 더 구성하는 것도 가능하다.In addition, the central processing unit 70 may further comprise an analog-to-digital converter for converting analog data into digital data.

다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 일실시예를 이용하여 액체량을 검출하는 과정을 설명한다.Next, a process of detecting the liquid amount by using an embodiment of the capacitive liquid level sensor according to the present invention configured as described above will be described.

콘덴서(캐패시터)는 마주보는 도체 사이에 유전체를 삽입한 것으로, 마주보는 도체에 전압을 가하면 분극작용에 의하여 도체에 정전기가 축적되는 전자 부품의 일종이다. 콘덴서에 있어서 마주보는 도체에 축적되는 정전기의 정전용량(캐패시턴스)(C)은 도체 사이에 존재하는 유전체의 유전율(ε)과 도체의 면적(A)에 비례하고, 도체 사이의 거리(d)에 반비례하며, 다음의 수학식 1로 나타내어진다.A capacitor is a type of electronic component in which a dielectric is inserted between opposing conductors. When a voltage is applied to an opposing conductor, static electricity accumulates in the conductor due to polarization. The electrostatic capacitance (capacitance) (C) accumulated in the opposite conductors in the capacitor is proportional to the dielectric constant (ε) of the dielectric present between the conductors and the area (A) of the conductor, and is equal to the distance (d) between the conductors. Inversely, it is represented by the following formula (1).

Figure 112007094316420-PAT00001
Figure 112007094316420-PAT00001

본 발명의 실시예에 있어서는 도체의 면적(A)은 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(32), (42)의 길이(L)와 두께(t)의 곱으로 나타내어지므로, 정전용량(C)은 다음의 수학식 2와 같이 나타내어진다.In the embodiment of the present invention, the area A of the conductor is the product of the length L and the thickness t of the row electrodes 32 and 42 of the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40. As shown, the capacitance C is expressed by the following expression (2).

Figure 112007094316420-PAT00002
Figure 112007094316420-PAT00002

상기 수학식 2에서 도체 사이의 거리(d)는 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(32), (42)과 각 접지전극(20) 사이의 간격으로 나타내어진다.In Equation 2, the distance d between the conductors is represented by the distance between the row electrodes 32 and 42 of the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40, and the ground electrodes 20.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)과 접지전극(20)의 두께(t)와 상기 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(32), (42)과 각 접지전극(20) 사이의 간격인 도체 사이의 거리(d)는 일정하게 형성하는 것이 가능하므로, 상기 수학식 2에서 정전용량(C)의 크기가 상기 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(32), (42)의 길이(L)에만 비례하여 변화하도록 구성하는 것이 가능하다.In the exemplary embodiment of the present invention, the thickness t of the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 and the ground electrode 20 and the row of the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 are shown. Since the distance d between the conductors 32 and 42 and the conductor, which is the distance between each ground electrode 20, can be formed uniformly, the size of the capacitance C is It is possible to configure so that it changes only in proportion to the length L of the row electrodes 32 and 42 of the capacitor | condenser electrode 30 and the right capacitor electrode 40. FIG.

또 공기의 유전율(ε0)과 물이나 자동차 연료 등 액체의 비유전율(εr;공기의 비유전율을 1로 한 경우)은 서로 다르므로, 그 차이만큼 정전용량(C)의 차이가 발생하게 된다.In addition, the dielectric constant of air (ε 0 ) and the relative dielectric constant of liquids such as water and automobile fuel (ε r ; when the relative dielectric constant of air is set to 1) are different from each other. do.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 좌콘덴서전극(30)의 행전극(32) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(42)을 각각 N개의 단으로 순차적으로 일정 비율로 길이(L)가 증가 또는 감소하도록 형성하고, 상기 행전극(32), (42) 사이 및 최상단 위쪽 및 최하단 아래쪽에 각각 접지전극(20)을 배치한다.As shown in FIG. 1, the length L of the row electrode 32 of the left capacitor electrode 30 and the row electrode 42 of the right capacitor electrode 40 are sequentially increased in N stages in a predetermined ratio. Alternatively, the ground electrode 20 may be formed to be reduced, and the ground electrodes 20 may be disposed between the row electrodes 32 and 42 and above and below the top and bottom of the top, respectively.

상기에서 좌콘덴서전극(30)과 우콘덴서전극(40)을 서로 한단씩 위아래로 비켜진 상태로 배치하면, 최하단에는 우콘덴서전극(40)의 행전극(42)만 전체 길이로 형성되고, 최상단에는 좌콘덴서전극(30)의 행전극(32)만 전체 길이로 형성되며, 좌콘덴서전극(30)과 우콘덴서전극(40)의 행전극(32), (42)을 합하여 단수를 계산하면 총 단수는 (N+1)이 된다.When the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 are disposed in a state of being moved up and down one by one step, only the row electrode 42 of the right capacitor electrode 40 is formed at the lower end in the entire length, and the top end is formed. Only the row electrode 32 of the left capacitor electrode 30 is formed to have a full length, and when the number of stages is calculated by adding up the left capacitor 30 and the row electrodes 32 and 42 of the right capacitor electrode 40, The singular number becomes (N + 1).

상기와 같이 접지전극(20)과 좌콘덴서전극(30)의 행전극(32) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(42)을 배치하여 형성하면, 상기 접지전극(20)의 총 단수는 (N+2)로 된다.When the ground electrode 20, the row electrode 32 of the left capacitor electrode 30 and the row electrode 42 of the right capacitor electrode 40 are disposed and formed as described above, the total number of the ground electrodes 20 is It becomes (N + 2).

여기에서 계산의 편의를 위하여 실제 정전용량이 전혀 얻어지지 않는 상태인 최하단의 접지전극(20)은 단수에서 제외하고, 두번째 단의 접지전극(20)을 0번째 단으로 설정하고, 각 접지전극(20)의 위치에서 2씩을 뺀 값을 단수로 설정하면, 최상단에 위치하는 접지전극(20)은 N번째 단이 된다.Here, for the convenience of calculation, except for the lowermost ground electrode 20 in which no actual capacitance is obtained at all, the ground electrode 20 of the second stage is set to the 0th stage, and each ground electrode ( If the value obtained by subtracting 2 from the position of 20) is set to the singular, the ground electrode 20 located at the top becomes the Nth end.

따라서 상기 행전극(32), (42) 중에서 길이가 가장 긴 상태인 최대 길이를 LN이라 하면, 각 행전극(32), (42)의 길이가 균등한 비율로 N개의 단으로 순차적으로 증가되므로, 각 행전극(32), (42)의 길이가 증가되는 비율(각 행전극의 길이 증분(ℓ))은 다음의 수학식 3과 같이 나타내어진다.Therefore, when the maximum length of the longest state among the row electrodes 32 and 42 is L N , the lengths of the row electrodes 32 and 42 are sequentially increased to N steps at an equal ratio. Therefore, the rate at which the lengths of the row electrodes 32 and 42 increase (the length increment L of each row electrode) is expressed by the following expression (3).

Figure 112007094316420-PAT00003
Figure 112007094316420-PAT00003

그리고 액체가 있는 상태에서의 접지전극(20)의 k번째 단과 아래쪽에 위치하는 좌콘덴서전극(30)의 행전극(32)에서 얻어지는 정전용량(CLk)과 우콘덴서전극(40) 의 행전극(42)에서 얻어지는 정전용량(CRk)은 각각 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 나타내어진다. 여기에서 k는 최하단에서 2번째에 위치하는 접지전극(20)을 0번째 단(k=0)으로 하고, 최상단에 위치하는 접지전극(20)을 N번째 단(k=N)으로 함에 따른 변수이다.The capacitance C Lk obtained from the row electrode 32 of the left capacitor electrode 30 positioned below the k-th end of the ground electrode 20 in the presence of liquid and the row electrode of the right capacitor electrode 40 are obtained. The capacitance C Rk obtained in (42) is represented by the following Equations 4 and 5, respectively. Here, k is a variable according to the ground electrode 20 located at the second end from the lowest end as the 0th end (k = 0), and the ground electrode 20 located at the top end as the Nth end (k = N). to be.

Figure 112007094316420-PAT00004
Figure 112007094316420-PAT00004

Figure 112007094316420-PAT00005
Figure 112007094316420-PAT00005

상기한 수학식 4 및 수학식 5에 있어서, ΔCr은 각 행전극(32), (42)이 액체에 잠긴 상태에서 길이 증분(ℓ)에 따른 정전용량의 증분을 나타내고 다음의 수학식 6과 같이 나타내어진다.In the above Equations 4 and 5, ΔCr represents the increment of the capacitance according to the length increment (l) in the state where each of the row electrodes 32 and 42 is immersed in the liquid, and as shown in Equation 6 below. Is represented.

Figure 112007094316420-PAT00006
Figure 112007094316420-PAT00006

그리고 공기중(액체가 없는 상태)에서의 길이 증분(ℓ)에 따른 정전용량의 증분(ΔC0)은 다음의 수학식 7과 같이 나타내어지고, 상기 수학식 6은 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The increment of the capacitance ΔC 0 according to the length increment ℓ in air (without liquid) is expressed by Equation 7 below, and Equation 6 is expressed by Equation 8 below. Can be.

Figure 112007094316420-PAT00007
Figure 112007094316420-PAT00007

Figure 112007094316420-PAT00008
Figure 112007094316420-PAT00008

그리고 액체가 없는 상태(전체가 공기에 노출된 상태)에서 측정한 좌콘덴서전극(30)으로부터 얻어지는 총 정전용량(CL0;이하에서 좌측의 기본정전용량이라 한다)과 우콘덴서전극(40)으로부터 얻어지는 총 정전용량(CR0;이하에서 우측의 기본정전용량이라 한다)은 각각 다음의 수학식 9 및 수학식 10과 같이 나타내어진다.From the left capacitor electrode 30 measured in the absence of liquid (the whole is exposed to air), the total capacitance C L0 (hereinafter referred to as the basic capacitance on the left) and the right capacitor electrode 40 the total capacitance is obtained (C R0; as basic capacitance of the right and below) are represented as shown in equation 9 and equation 10, respectively.

Figure 112007094316420-PAT00009
Figure 112007094316420-PAT00009

Figure 112007094316420-PAT00010
Figure 112007094316420-PAT00010

상기 수학식 9 및 수학식 10에 있어서, 각 단의 행전극(32), (42)은 아래쪽에 위치한 접지전극(20)과의 사이 및 위쪽에 위치한 접지전극(20)과의 사이에서 각각 정전용량이 얻어지므로, 각 단의 행전극(32), (42)이 한쪽 접지전극(20)과의 사 이에서 발생하는 정전용량의 합을 2배로 하여야 총 정전용량이 된다.In Equations 9 and 10, the row electrodes 32 and 42 of each stage are respectively electrostatically disposed between the ground electrode 20 located below and the ground electrode 20 located above. Since the capacitance is obtained, the total capacitance occurs when the row electrodes 32 and 42 of each stage must double the sum of the capacitance generated between the one and the ground electrodes 20.

또 x번째 단의 접지전극(20)까지 액체가 채워진 경우의 좌콘덴서전극(30)으로부터 얻어지는 정전용량(CLx) 및 우콘덴서전극(40)으로부터 얻어지는 정전용량(CRx)은 각각 다음의 수학식 11 및 수학식 12와 같이 나타내어진다.In addition, the capacitance C Lx obtained from the left capacitor electrode 30 and the capacitance C Rx obtained from the right capacitor electrode 40 when the liquid is filled up to the ground electrode 20 of the x-th stage is represented by the following mathematical expression , respectively. It is shown by Formula (11) and (12).

Figure 112007094316420-PAT00011
Figure 112007094316420-PAT00011

Figure 112007094316420-PAT00012
Figure 112007094316420-PAT00012

상기에서 (εr-1)을 εr'라 하면, 상기 수학식 11 및 수학식 12는 각각 다음 의 수학식 13 및 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.If ε r -1 is ε r ', Equations 11 and 12 may be represented by Equations 13 and 14, respectively.

Figure 112007094316420-PAT00013
Figure 112007094316420-PAT00013

Figure 112007094316420-PAT00014
Figure 112007094316420-PAT00014

상기와 같이 얻어지는 정전용량(C)을 상기 전압변환기(60)를 통하여 변환하여 얻어지는 전압은 상기 수학식 13 및 수학식 14을 이용하여 각각 다음의 수학식 15 및 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.The voltage obtained by converting the capacitance C obtained as described above through the voltage converter 60 may be represented by Equation 15 and Equation 16 using Equations 13 and 14, respectively.

Figure 112007094316420-PAT00015
Figure 112007094316420-PAT00015

Figure 112007094316420-PAT00016
Figure 112007094316420-PAT00016

상기 수학식 15 및 수학식 16에 있어서, VLx는 접지전극(20)의 x번째 단(k=x)까지 액체가 채워진 경우에 좌콘덴서전극(30)으로부터 얻어진 정전용량을 전압으로 변환한 값을 나타내고, VRx는 접지전극(20)의 x번째 단(k=x)까지 액체가 채워진 경우에 우콘덴서전극(40)으로부터 얻어진 정전용량을 전압으로 변환한 값을 나타내고, ΔV0는 길이 증분(ℓ)에 대한 정전용량(ΔC0)에 액체의 비유전율에 대한 값(ε-1)을 곱하여 전압으로 변환한 값을 나타내고, VL0는 공기중에서 좌콘덴서전극(30)으로부터 얻어지는 좌측의 기본정전용량(CL0)을 전압으로 변환한 값(이하에서 좌측의 기본전압이라 한다)을 나타내고, VR0는 공기중에서 우콘덴서전극(40)으로부터 얻어지는 우측의 기본정전용량(CR0)을 전압으로 변환한 값(이하에서 우측의 기본전압이라 한다)을 나타낸다.In Equations 15 and 16, V Lx is a value obtained by converting the capacitance obtained from the left capacitor electrode 30 to a voltage when the liquid is filled up to the x-th end (k = x) of the ground electrode 20. V Rx represents a value obtained by converting the capacitance obtained from the right capacitor electrode 40 into a voltage when the liquid is filled up to the x-th end (k = x) of the ground electrode 20, and ΔV 0 represents a length increment. The capacitance (ΔC 0 ) for (L) is multiplied by the value (ε-1) for the relative dielectric constant of the liquid to represent the value converted into voltage, and V L0 is the basic value on the left side obtained from the left capacitor electrode 30 in air. The value obtained by converting the capacitance C L0 into a voltage (hereinafter referred to as the basic voltage on the left), and V R0 represents a basic capacitance C R0 obtained from the right capacitor electrode 40 in air as a voltage. The converted value (hereinafter referred to as the basic voltage on the right side) is shown.

그리고 상기 수학식 15 및 수학식 16과 같이 나타내어지는 상기 전압변환기(60)를 통하여 변환된 각 전압값에 포함된 좌측의 기본전압(VL0) 및 우측의 기본전압(VR0)을 상기 오프셋 조절기(72)에서 제거한 좌조절전압(VLS) 및 우조절전압(VRS)은 각각 다음의 수학식 17 및 수학식 18과 같이 나타내어진다.The offset regulator adjusts the basic voltage V L0 on the left side and the basic voltage V R0 on the right side included in each voltage value converted through the voltage converter 60 represented by Equation 15 and Equation 16, respectively. Left control voltage (V LS ) and right control voltage (V RS ) removed in (72) are represented by Equations 17 and 18, respectively.

Figure 112007094316420-PAT00017
Figure 112007094316420-PAT00017

Figure 112007094316420-PAT00018
Figure 112007094316420-PAT00018

상기와 같이 얻어지는 좌조절전압(VLS) 및 우조절전압(VRS)에 대하여 각 단까지 액체가 채워진 경우에 얻어지는 표준값을 미리 설정하여 중앙처리부(70)에 입력하면, 각 단에서 얻어진 좌조절전압(VLS) 및 우조절전압(VRS)이 표준값과 오차범위보다 크게 차이가 나는 것을 확인하는 것에 의하여 수평에 대한 기판(20)의 기울어진 상태를 예측하는 것이 가능하고, 자동차가 언덕길을 올라가는지 내려가는지 등을 확인하는 것이 가능하다. 예를 들면 좌조절전압(VLS)은 표준값보다 크게 얻어지는 데 비하여 우조절전압(VRS)이 작게 얻어지면, 이는 좌콘덴서전극(30)쪽에 표준보다 액체가 많이 존재하고 우콘덴서전극(40)쪽에 액체가 표준보다 적게 존재하는 것을 나타내므로, 좌측으로 기울어진 것으로 판단할 수 있다.When the standard value obtained when the liquid is filled up to each stage with respect to the left control voltage V LS and the right control voltage V RS obtained as described above is set in advance and input to the central processing unit 70, the left control obtained at each stage It is possible to predict the inclined state of the substrate 20 with respect to the horizontal by confirming that the voltage V LS and the right control voltage V RS are significantly different from the standard value and the error range. It is possible to check whether it goes up or down. For example, when the left control voltage V LS is obtained larger than the standard value, and the right control voltage V RS is obtained smaller, this means that there is more liquid than the standard on the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 is present. It indicates that there is less liquid on the side than the standard, so it can be judged as tilted to the left.

그리고 상기와 같이 얻어지는 좌조절전압(VLS) 및 우조절전압(VRS)을 이용하여 상기 차동증폭기(74)에서 우조절전압(VRS)에서 좌조절전압(VLS)을 뺀 감산전압(Vm)은 다음의 수학식 19와 같이 나타내어지고, 상기 합산기(75)에서 우조절전 압(VRS)과 좌조절전압(VLS)을 더한 합산전압(Vp)은 다음의 수학식 20과 같이 나타내어진다.And subtracting the voltage obtained by subtracting the left control voltage (V LS) and a right control voltage (V RS) right control voltage (V RS), the left control voltage (V LS) in the differential amplifier 74 by using the obtained as described above ( V m ) is represented by Equation 19, and the summation voltage (V p ) obtained by adding the right control voltage (V RS ) and the left control voltage (V LS ) in the summer (75) is shown in Equation 20 below. It is represented as

Figure 112007094316420-PAT00019
Figure 112007094316420-PAT00019

Figure 112007094316420-PAT00020
Figure 112007094316420-PAT00020

상기와 같이 얻어지는 감산전압(Vm)과 합산전압(Vp)을 이용하여 상기 제산기(76)에서 감산전압(Vm)을 합산전압(Vp)으로 나누어 제산전압(Vd)을 출력하며, 제산전압(Vd)은 다음의 수학식 21과 같이 나타내어진다.The division voltage V d is output by dividing the subtraction voltage V m by the sum voltage V p using the subtraction voltage V m and the sum voltage V p obtained as described above. The dividing voltage V d is expressed by Equation 21 below.

Figure 112007094316420-PAT00021
Figure 112007094316420-PAT00021

그리고 상기와 같이 얻어지는 제산전압(Vd)에 상기 승산기(78)에서 기준전압(Vref)을 곱하여 출력전압(Vout)을 얻으며, 출력전압(Vout)은 다음의 수학식 22와 같이 얻어진다. 여기에서 기준전압(Vref)은 임의로 설정한 전압이다.The multiplier voltage V d obtained as described above is multiplied by the reference voltage V ref in the multiplier 78 to obtain an output voltage V out , and the output voltage V out is obtained as shown in Equation 22 below. Lose. Here, the reference voltage V ref is a voltage arbitrarily set.

Figure 112007094316420-PAT00022
Figure 112007094316420-PAT00022

상기와 같이 얻어지는 출력전압(Vout)은 액체가 접지전극(20)의 0번째 단(k=0)에 위치할 경우에 기준전압(Vref)과 같은 최대값을 나타내고, 액체가 접지전극(20)의 최상단인 N번째 단(k=N)에 위치할 경우에 음(-)의 기준전압(Vref)과 같은 최소값을 나타낸다.The output voltage V out obtained as described above represents a maximum value equal to the reference voltage V ref when the liquid is located at the 0 th terminal (k = 0) of the ground electrode 20, and the liquid is the ground electrode ( In the case where it is located at the Nth stage (k = N), which is the uppermost stage of 20), the minimum value is equal to the negative reference voltage (V ref ).

상기 출력전압(Vout)은 음(-)의 일차방정식으로 나타내어지며, 0번째 단에서 N번째 단으로 점차 액체가 채워질수록 출력전압(Vout)은 최대값에서 최소값으로 감소하는 직선적인 출력신호가 얻어진다.The output voltage (V out ) is represented by a negative (-) first equation, and as the liquid is gradually filled from the 0th stage to the Nth stage, the output voltage (V out ) decreases from the maximum value to the minimum value. Is obtained.

그리고 상기 기준전압(Vref)에서 출력전압(Vout)을 빼고 다시 기준전압(Vref)을 더하여 출력신호를 양(+)의 값으로 전환한 보정전압(Vpositive)을 사용하는 것도 가능하고, 보정전압(Vpositive)은 다음의 수학식 23과 같이 나타내어진다.And it is also possible to use a correction voltage (V positive), switching to the value of the reference voltage (V ref) the output voltage based on the voltage (V out), remove the back (V ref), a positive (+) an output signal by adding the in , The correction voltage (V positive ) is represented by the following equation (23).

Figure 112007094316420-PAT00023
Figure 112007094316420-PAT00023

상기와 같이 얻어지는 출력전압(Vout)과 보정전압(Vpositive)을 그래프로 나타내 면 도 3과 같다. 도 3에서 세로축은 전압의 크기를 나타내고, 가로축은 채워지는 액체량을 나타낸다.The output voltage (V out ) and the correction voltage (V positive ) obtained as described above are shown in a graph as shown in FIG. 3. In Figure 3, the vertical axis represents the magnitude of the voltage, and the horizontal axis represents the amount of liquid to be filled.

상기와 같이 출력전압(Vout)과 보정전압(Vpositive)이 직선의 그래프(출력신호)로 얻어지므로, 대량 생산을 하는 경우에도 품질의 균일도를 유지하는 것이 용이하다.As described above, since the output voltage V out and the correction voltage V positive are obtained in a linear graph (output signal), it is easy to maintain the uniformity of quality even in the case of mass production.

그리고 출력신호가 직선적이므로 용도별로 신호를 가공하여 사용하는 것이 용이하다. 나아가 생산과정에서 표준적 물질(연료 등)을 사용할 필요가 없다.And since the output signal is linear, it is easy to process and use the signal for each use. Furthermore, there is no need to use standard materials (eg fuel) in the production process.

상기에서는 접지전극(20)을 기준으로 액체가 한단씩 채워질 때에 얻어지는 정전용량을 계산하는 것으로 설명하였지만, 더 세분화하여 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)의 각 행전극(32), (42)을 한단씩으로 추가하여 계산하는 것도 가능하고, 이 경우에는 보다 정밀한 측정값을 얻는 것이 가능하다.In the above, the capacitance obtained when the liquid is filled step by step based on the ground electrode 20 has been described. However, the row electrodes 32 of the left capacitor electrode 30 and the right capacitor electrode 40 are further subdivided. It is also possible to calculate by adding (42) step by step, in which case it is possible to obtain a more accurate measured value.

이 때는 상기한 각 수학식에서 접지전극(20)을 기준으로 했을 때 얻어지는 값에 접지전극(20)과 위쪽에 위치하는 좌콘덴서전극(30) 및 우콘덴서전극(40)의 행전극(32), (42)과의 사이에서 얻어지는 값을 더하면 된다.In this case, the row electrode 32 of the left and right capacitor electrodes 30 and the right capacitor electrode 40 positioned above the ground electrode 20 and the value obtained when the ground electrode 20 is referred to in each of the above equations, What is necessary is just to add the value obtained between (42).

따라서 상기한 접지전극(20)을 기준으로 한 경우의 결과에서 크게 벗어나지 않으므로, 상세한 설명은 생략한다.Therefore, since it does not significantly deviate from the result when the ground electrode 20 is referred to as a reference, the detailed description is omitted.

상기에서는 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.In the above, a preferred embodiment of the capacitive liquid level sensor according to the present invention has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is not limited thereto. It is possible and this also belongs to the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 일실시예를 나타내는 정면도이다.1 is a front view showing an embodiment of a capacitive liquid level sensor according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 일실시예를 나타내는 블럭도이다.2 is a block diagram illustrating an embodiment of a capacitive liquid level sensor according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 정전용량형 액체 레벨센서의 일실시예를 통하여 출력되는 액체량의 변화에 따른 전압값의 변화를 그래프이다.3 is a graph showing a change in voltage value according to a change in the amount of liquid output through an embodiment of the capacitive liquid level sensor according to the present invention.

Claims (5)

판형상의 기판과,Plate-shaped substrate, 상기 기판에 일정 간격을 두고 다수의 행으로 배열 설치되며 서로 반대로 길이가 단계적으로 가변하도록 배열되는 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극과,A pair of left capacitor electrodes and right capacitor electrodes arranged in a plurality of rows at predetermined intervals on the substrate and arranged so that their lengths vary in stages opposite to each other; 상기 기판에 일정 간격을 두고 다수의 행으로 배열 설치되는 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극의 행 사이사이와 최상단 위쪽 및 최하단 아래쪽에 배열 설치되며 전체가 하나로 서로 전기적으로 연결되는 복수의 접지전극을 포함하는 정전용량형 액체 레벨센서.A plurality of ground electrodes arranged between the pair of left and right capacitor electrodes arranged in a plurality of rows at predetermined intervals, and arranged above and below the top and bottom of the plurality of ground electrodes electrically connected to each other. Capacitive liquid level sensor comprising. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기에서 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극은 각각 행으로 배열 설치되며 각 단마다 길이가 단계적으로 변화하는 복수의 행전극과 상기 복수의 행전극을 병렬로 연결하는 하나의 연결전극으로 이루어지는 정전용량형 액체 레벨센서.The pair of left capacitor electrodes and the right capacitor electrodes are arranged in rows, each of which comprises a plurality of row electrodes having a step length varying in stage and a connecting electrode connecting the plurality of row electrodes in parallel. Type liquid level sensor. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 접지전극에 전류를 인가하는 발진기와, 상기 한쌍의 좌콘덴서전극 및 우콘덴서전극으로부터 얻어지는 정전용량을 전압값으로 변환하는 전압변환기와, 상기 전압변환기에서 전압으로 변환되어 출력되는 값을 사용하여 액체량을 산출하는 중앙처리부를 더 포함 정전용량형 액체 레벨센서.A liquid using an oscillator for applying a current to the ground electrode, a voltage converter for converting capacitance obtained from the pair of left and right capacitor electrodes to a voltage value, and a value converted from the voltage converter to a voltage and output Capacitive liquid level sensor further comprises a central processing unit for calculating the amount. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 중앙처리부는 얻어진 값에서 액체가 없는 상태에서의 값을 제거하는 오프셋 조절기와, 상기 오프셋 조절기를 거친 상기 우콘덴서전극으로부터 얻어지는 값에서 좌콘덴서전극으로부터 얻어지는 값을 감산하는 차동증폭기와, 상기 오프셋 조절기를 거친 상기 우콘덴서전극으로부터 얻어지는 값에 좌콘덴서전극으로부터 얻어지는 값을 합산하는 합산기와, 상기 차동증폭기로부터 얻어지는 값을 상기 합산기로부터 얻어지는 값으로 나누는 제산기를 포함하는 정전용량형 액체 레벨센서.The central processing unit includes an offset regulator for removing a value in the absence of liquid from the obtained value, a differential amplifier for subtracting a value obtained from the left capacitor electrode from a value obtained from the right capacitor electrode passed through the offset controller, and the offset regulator. And a divider for adding a value obtained from the left capacitor electrode to a value obtained from the right capacitor electrode, and a divider for dividing the value obtained from the differential amplifier by the value obtained from the adder. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 중앙처리부는 상기 제산기로부터 출력되는 값에 일정한 값의 기준전압을 곱하는 승산기를 더 포함하는 정전용량형 액체 레벨센서. The central processing unit further comprises a multiplier for multiplying the value output from the divider by a reference voltage of a constant value.
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