KR20100025289A - 비자성 회전체의 회전 감지기 및 이를 적용한 유량 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비자성 회전체의 회전 감지기 및 이를 적용한 유량 측정장치에 관한 것으로서, 비자성 비도체로 이루어지는 임펠러, 상기 임펠러의 일면에 부착되되, 임펠러의 회전중심을 기준으로 상기 일면을 2개 이상의 다등분으로 나누도록 부착되는 하나 이상의 비자성 도체판, 상기 비자성 도체판의 일면으로부터 일정 간격 이격되어 설치되는 인덕터와 상기 인덕터와 전기적으로 연결되는 캐패시터를 포함하여 구성되는 LC 회전센싱부, 상기 LC 회전센싱부로에 연결되어 전압 변화치를 연산하는 메인컨트롤부 및 상기 메인컨트롤부에 연결된 디스플레이부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기 및 이를 적용한 유량 측정장치에 의하면, 임펠러에 비자성 도체판을 부착시킨 후, 임펠러의 회전을 저전류 소비 소자인 인덕터와 캐패시터로 이루어지는 LC 회전센싱부를 통해 감지 가능하므로 외부의 자장에 둔감하게 되고 전류 소비가 종래에 비해 감소하게 되는 효과가 있다.

LC 공진회로, 임펠러, 비자성 도체판, 인덕터, 캐패시터

Description

비자성 회전체의 회전 감지기 및 이를 적용한 유량 측정장치{APPARATUS FOR SENSING ROTATION OF NON-MAGNETIC IMPELLER AND FLOW MEASUREMENT DEVICE USING SAME}

본 발명은 비자성 회전체의 회전 감지기 및 이를 적용한 유량 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인덕터와 캐패시터로 이루어지는 LC 발진회로를 이용하여 회전체의 회전을 감지하며 이를 적용한 유량 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 수도 미터기 및 가스 미터기 등의 가정용 계량기는 그 내부에 임펠러가 구비되며, 상기 임펠러의 회전수 등을 감지하여 계량기 내부를 통과하는 유체의 유량 등을 측정하게 된다.

상기 유체의 유량을 측정하는 방법은 다양한 방법이 제시되어 사용되고 있는데, 예전에는 여러 개의 숫자가 적힌 나사를 이용하고 나사의 회전수를 통해 연산되는 유체의 유량을 기계식으로 표시하였다.

그러나, 현재 디지털 기술의 발전에 따라 점차 전자식으로 디스플레이되는 방식을 선호하고 있으며, 이는 계량기의 검침방법에 있어서 세대를 직접 방문하지 않으며 원격지에서 사용량 정보 등을 수집할 수 있는 AMR(Automatic Meter Reading) 시스템이 보편화되고 있기 때문이다.

이러한 전자식 미터기는 내부에 설치된 임펠러에 자석을 장착하여 MR 센서 또는 Hall 센서 등의 자기센서를 이용하여 임펠러의 회전을 감지하였으며, 메인컨트롤부에서 상기 회전수를 통해 유량을 연산하여 LCD창에 표시하였다.

이러한 자기센서를 적용한 수도 미터기의 경우에서, 통상 수도 미터기는 검정 유효 기간이 8년이므로 장기간 사용시 물속의 철분이 상기 자석에 붙게 되어 임펠러가 회전하지 못하는 문제점이 발생하였다.

아울러, 상기 자기센서가 적용된 가스 미터기의 경우에서는 전술한 바처럼 철분에 의한 영향을 받지는 않지만, 자석의 무게로 인해 임펠러의 회전에 영향을 미치게 되는 단점이 있다.

또한, 자기센서를 이용하는 방식은 외부 자장에 심각하게 반응하게 되고 이에 따라 임펠러의 정확한 회전수를 감지하지 못하게 되는 경우가 발생하였다.

한편, 전술한 자기센서를 이용하는 방법 이외에 임펠러의 회전을 감지하는 방법 중에는 임펠러에 홀을 형성시키고 적외선 센서의 발광 및 수광을 통해 감지하는 방법이 있지만 수도미터기의 경우에서는 임펠러가 수중에 있으므로 임펠러 및 적외선 센서의 설치가 어렵게 되며, 전류의 소비가 많아지는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자기센서를 사용하지 않으므로 외부 자장에 의한 영향을 받지 않으며 저전류로 작동이 가능한 비자성 회전체의 회전 감지기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수도 미터기에 적용되는 경우에 물속의 철분에 의한 영향을 받지 않으므로 반영구적으로 사용 가능한 비자성 회전체의 회전 감지기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 비자성 회전체의 회전 감지기가 적용된 수도 미터기, 가스 미터기 등의 유량 측정장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명의 비자성 회전체의 회전 감지기는, 비자성 비도체로 이루어지는 임펠러, 상기 임펠러의 일면에 부착되되, 임펠러의 회전중심을 기준으로 상기 일면을 2개 이상의 다등분으로 나누도록 부착되는 하나 이상의 비자성 도체판, 상기 비자성 도체판의 일면으로부터 일정 간격 이격되어 설치되는 인덕터와 상기 인덕터와 전기적으로 연결되는 캐패시터를 포함하여 구성되는 LC 회전센싱부, 상기 LC 회전센싱부로에 연결되어 전압 변화치를 연산하는 메인컨트롤부 및 상기 메인컨트롤부에 연결된 디스플레이부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 LC 회전센싱부는 상기 임펠러의 정역회전을 감지하도록 상기 인덕터와 캐패시터가 각각 두 개 이상씩 구비되는 LC 공진 병렬회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비자성 도체판이 동일 형상으로 2개 이상 구비되는 경우, 상기 비자성 도체판은 임펠러의 원주방향을 따라 서로 동일 간격으로 부착되며, 상기 비자성 도체판이 부착되지 않은 나머지 부분은 비자성 도체판의 형상과 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비자성 도체판은 구리, 알루미늄 및 스테인레스 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 그 두께는 0.05mm ~ 0.15mm의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비자성 도체판과 상기 인덕터와의 이격거리는 0.5 ~ 1mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명의 유량 측정장치는 전술한 비자성 회전체의 회전 감지장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기 및 이를 적용한 유량 측정장치에 의하면, 임펠러에 비자성 도체판을 부착시킨 후, 임펠러의 회전을 저전류 소비 소자인 인덕터와 캐패시터로 이루어지는 LC 회전센싱부를 통해 감지 가능 하므로 외부의 자장에 둔감하게 되고 전류 소비가 종래에 비해 감소하게 되는 효과가 있다.

또한, 상기 LC 회전센싱부를 인덕터와 캐패시터가 각각 두 개 이상씩 구비되는 LC 공진 병렬회로를 포함하여 구성시키므로 임펠러의 정역회전을 쉽게 감지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 수도 미터기에 적용되는 경우, 물속의 철분이 임펠러에 붙는 현상을 방지하여 반영구적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기를 개략적으로 나타내는 상태도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에서 인덕터의 위치에 따라 LC 공진회로에서 발생하는 전압 파형의 변화를 나타내는 개략도이고, 도 4는 도 3의 전압 파형 변화 그래프와 전압 기준값과의 비교를 통해 인덕터의 위치를 감지하는 방법을 나타내는 상태도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기가 적용된 유량 측정장치를 나타내는 단면도이고, 도 6은 도 5에서 임펠러를 나타내는 평면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러(100), 비자성 도체판(200), LC 회전센싱부(300), 메인컨 트롤부(400) 및 디스플레이부(500)를 포함하여 이루어진다.

상기 임펠러(100)는 후술하는 수도 미터기, 가스 미터기 등의 유량 측정기의 내부에 설치될 수 있다. 이러한 임펠러(100)는 상기 유량 측정기의 내부를 유동하는 유체에 의해 회전 가능한 구조로 설치된다.

여기서, 상기 유량 측정기는 임펠러(100)의 회전수 및 회전속도 등을 판별하여 그 내부를 유동하는 물, 가스 등의 유체 유량을 측정하게 된다.

상기 임펠러(100)는 플라스틱 합성수지 등의 비자성 비도체로 이루어지며, 구체적인 형상은 원판 형상의 측면에 회전이 용이하도록 상기 원판의 중심을 기준으로 방사형의 회전보강리브가 일체로 형성되어 이루어질 수 있다.

상기 비자성 도체판(200)은 구리, 알루미늄 및 스테인레스 중 어느 하나의 재질로 이루어져서 상기 임펠러(100)의 일면에 부착되도록 한다.

한편, 이러한 비자성 도체판(200)은 상기 임펠러(100)의 일면을 2등분하도록 대략 반원 형상으로 이루어질 수 있으며, 또한, 상기 일면을 2등분 초과의 다 등분하도록 형성될 수도 있다.

여기서, 상기 일면을 2등분 초과의 다 등분하도록 상기 비자성 도체판(200)이 부착되는 경우, 다수의 비자성 도체판(200) 각각의 형상은 동일하며 아울러, 비자성 도체판(200)이 부착되지 않은 부분의 형상과 비자성 도체판(200)의 형상 또한 서로 동일하도록 한다.

즉, 상기 다수의 비자성 도체판(200)은 임펠러(100)의 원주방향을 따라 서로 동일한 간격으로 이격되도록 하며, 그 이격간격이 형성되는 나머지 부분도 비자성 도체판(200)의 전체적인 형상과 동일하도록 한다.

한편, 상기 비자성 도체판(200)이 부착되는 상태에서 임펠러(100)의 회전 밸런스를 유지하도록 하기 위해서 상기 비자성 도체판(200)의 두께는 0.05mm ~ 0.15mm의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

만약, 상기 비자성 도체판(200)의 두께가 0.05mm 미만일 경우에는 그 두께가 작음으로 인해 가공상 어려움이 발생하게 되며, 0.15mm 초과일 경우에는 두께의 증가로 인한 중량의 상승으로 임펠러(100)의 회전시 무게 중심이 변동하여 임펠러(100)의 회전 밸런스가 깨지는 현상이 발생하게 된다.

상기 LC 회전센싱부(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 임펠러(100)의 비자성 도체판(200)이 부착된 일면으로부터 일정 간격 이격되어 설치되는 인덕터(L)와 상기 인덕터(L)와 전기적으로 연결되는 캐패시터(C)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 인덕터와 캐패시터는 서로 간에 병렬관계로 각각 하나씩 구비될 수 있다.

또한, 상기 인덕터와 캐패시터가 적어도 2개 이상씩 구비될 수도 있으며 이러한 경우에도 전체적으로 병렬 관계를 가지도록 하여 LC 공진 병렬회로로 이루어지게 한다.

이하, 상기 임펠러(100), 비자성 도체판(200) 및 LC 회전센싱부(300)의 상관 관계로 인한 임펠러(100)의 회전 감지 방법에 대해 설명하기로 한다.

상기 LC 회전센싱부(300)의 임펠러(100) 회전 감지기법 원리는 와전류(Eddy current)를 이용하는 것이다.

먼저, LC 공진회로에 펄스를 가하면 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 에너지가 충전된다. 이때, 이상적인 인덕터(L)와 캐패시터(C)라면 이 에너지는 그 크기가 항상 일정한 형태로 공진하게 되며, 이때 공진주파수는 아래의 수식과 같이 인덕터(L)와 캐패시터(C)의 함수로 된다.

일반적으로, 상기 인덕터(L)는 저항이 존재하므로 공진회로의 공진주파수 변화에 따른 전압 파형은 시간에 따라 점점 감소하는 형태가 된다.

이때, 상기 인덕터(L)와 마주보는 방향에 상기 임펠러(100)가 회전하여 비자성 도체판(200)이 위치하게 되면 인덕터(L)에 의해 발생된 자기장이 비자성 도체판(200)에 와전류를 생성하게 된다. 이러한 와전류는 새로운 자기장을 만들어서 인덕터(L)의 상호 인덕턴스를 변화시키게 된다.

따라서, 공진주파수가 변하게 되며 공진회로의 전압 파형은 급격히 감소하게 된다. 즉, LC 공진회로에 도체를 접근시키면 전기 부하의 형태가 되어 전압 파형은 급격히 감소하게 된다.

자세하게는, 도 3에 도시한 바와 같이, 인덕터 L₁은 비자성 도체판(200) 위에 위치하여 발생된 와전류에 의해 전압 파형이 급속하게 감소하는 반면에, 인덕터 L₂는 비도체 위에 위치하여 와전류가 발생하지 않으므로 전압 파형이 상기 인덕터 L₁에 비해 천천히 감소하여 보다 긴 시간동안 발진하게 된다.

그러므로, 본 발명의 실시예에서는 LC 공진회로의 공진주파수 변화에 따른 전압 파형의 변화에 따라 임펠러(100)의 회전 유무를 판단하게 된다.

아울러, 상기 LC 회전센싱부(300)에 상호 간에 병렬 연결되는 두 쌍 이상의 인덕터(L)와 캐패시터(C)를 포함하는 LC 공진회로를 구비함으로써 임펠러(100)의 정역 회전을 감지할 수 있게 된다.

그러나, 반드시 이에 한정하지는 않으며, 상기 LC 회전센싱부(300)에는 한 쌍의 상호 간에 병렬 연결되는 인덕터(L)와 캐패시터(C)가 구비될 수도 있다.

전술한 설명에서 상기 LC 공진회로의 전압 파형 변화는 인덕터(L)와 비자성 도체판(200) 사이의 거리, 비자성 도체판(200)의 재질, 두께 및 비자성 도체판(200)의 투자율(透磁率, magnetic permeability) 등에 의해 영향을 받게 된다.

본 발명의 실시예에서는 시제품을 제작한 후 다수 회 실험을 반복하여, 인덕터(L)와 비자성 도체판(200) 사이의 거리를 0.5mm ~ 1mm의 범위 내에 있도록 함으로써 임펠러(100)의 회전 감지율을 최대화시켰다.

즉, 상기 범위 밖에 있을 경우에는 LC 공진회로를 통한 임펠러(100)의 회전 감지율이 감소하게 되는 현상이 발생하였다.

또한, 비자성 도체판(200)의 재질은 전술한 바대로 다양하게 적용될 수 있지만 수도 미터기에 적용 가능하도록 내부식성이 우수한 스테인레스 계열의 소재로 적용되는 것이 바람직하며 아울러, 전술한 바대로 비자성 도체판(200)의 두께는 임펠러(100)의 회전 밸런스를 유지하도록 0.05mm ~ 0.15mm의 범위 내에서 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 메인컨트롤부(400)는 저장부(미도시)에 기입력되어 있는 LC 공진회로의 기본 전압 변화 파형과 상기 LC 회전센싱부(300)로부터 입력받은 전압 변화 파형을 비교하게 된다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 일정시간(t_delay) 경과 후, 측정 시간 범위(t_gate)에서 기준값(V_REF)과 비교하여 기준값(V_REF)보다 더 큰 신호가 존재하게 되면 상기 인덕터(L)는 임펠러(100)의 비자성 도체판(200) 상측에 위치하는 것으로 인지하고, 반대의 경우에는 임펠러(100)의 비자성 도체판(200)이 구비되지 않은 영역의 상측에 위치하는 것으로 판단하여 임펠러(100)의 회전을 감지하게 된다.

이러한 과정이 반복적으로 이루어져서 상기 메인컨트롤부(400)는 임펠러(100)의 회전수 및 정역 회전여부를 감지하게 되고, 임펠러(100)의 회전수에 따라 후술하는 수도 미터기, 가스 미터기 등의 유량 측정장치 내부를 유동하는 유체의 유량을 연산하게 된다.

상기 디스플레이부(500)는 LCD창 및 LED등을 통해 이루어질 수 있으며, 메인컨트롤부(400)에서 비교 연산된 유체의 유량, 유체의 흐름 방향 등을 사용자가 인식하기 쉽도록 표시하게 된다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기가 유량 측정장치 중 수도 미터기에 적용되는 예를 설명하기로 한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 상기 임펠러(100)는 수도미터의 외관을 형성하는 하우징(600) 내부에 장착되어 있다.

물 유입구(610)를 통해 유입된 물은 수압에 의해 임펠러(100)를 회전시키게 되며, 임펠러(100)의 측면방향으로 배출되어 물 배출구(620)로 배출되게 된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 상기 임펠러(100)의 상면에는 비자성 도체판(200)이 부착되어 있으며, 원판 형상의 측면에 회전이 용이하도록 상기 원판의 중심을 기준으로 방사형의 회전보강리브(110)가 일체로 형성되어 이루어져 있다.

여기서, 상기 비자성 도체판(200)은 전체적으로 반원 형상을 가지도록 형성되어 있지만, 반드시 이에 한정하지는 않으며 임펠러(100)의 상면을 다 등분하도록 다수개가 임펠러(100)의 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성될 수도 있다.

한편, 상기 임펠러(100)와 마주보는 상측에는 PCB(630)와 전기적으로 연결된 한 쌍의 인덕터(L)가 설치되어 있다.

이러한 임펠러(100)는 임펠러 하우징(600) 내부에 장착되는 데, 임펠러 하우징(600)의 상부는 임펠러(100)로 유입된 물이 상기 인덕터(L) 측으로 배출되지 않도록 막힌 상태를 가지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 PCB(630)에는 인덕터(L)와 전기적으로 연결되는 상태로 캐패시터(미도시)가 배치되어 있으며, 아울러 전술한 메인컨트롤부의 역할을 수행하도록 마이컴을 구성하는 다수의 회로소자가 배치되어 있다.

전술한 바대로, 이러한 메인컨트롤부에서 비교 연산된 수치는 LCD창(640)을 통해 표시되어 작업자가 용이하게 수도 미터기를 통과하는 물의 유량, 물의 흐름 방향 등을 알 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기는 수도 미터기 이외의 가스 미터기 등 일반적인 유량 측정장치에도 적용이 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기를 나타내는 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기를 개략적으로 나타내는 상태도.

도 3은 본 발명의 실시예에서 인덕터의 위치에 따라 LC 공진회로에서 발생하는 전압 파형의 변화를 나타내는 개략도.

도 4는 도 3의 전압 파형 변화 그래프와 전압 기준값과의 비교를 통해 인덕터의 위치를 감지하는 방법을 나타내는 상태도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비자성 회전체의 회전 감지기가 적용된 유량 측정장치를 나타내는 단면도.

도 6은 도 5에서 임펠러를 나타내는 평면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 임펠러 110: 회전보강리브

200: 비자성 도체판 300: LC 회전센싱부

400: 메인컨트롤부 500: 디스플레이부

600: 하우징 610: 물 유입구

620: 물 배출구 630: PCB

640: LCD창 L: 인덕터

C: 캐패시터

Claims (6)

1. 비자성 비도체로 이루어지는 임펠러;

   상기 임펠러의 일면에 부착되되, 임펠러의 회전중심을 기준으로 상기 일면을 2개 이상의 다등분으로 나누도록 부착되는 하나 이상의 비자성 도체판;

   상기 비자성 도체판의 일면으로부터 일정 간격 이격되어 설치되는 인덕터와 상기 인덕터와 전기적으로 연결되는 캐패시터를 포함하여 구성되는 LC 회전센싱부;

   상기 LC 회전센싱부로에 연결되어 전압 변화치를 연산하는 메인컨트롤부; 및

   상기 메인컨트롤부에 연결된 디스플레이부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비자성 회전체의 회전 감지기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 LC 회전센싱부는 상기 임펠러의 정역회전을 감지하도록 상기 인덕터와 캐패시터가 각각 두 개 이상씩 구비되는 LC 공진 병렬회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 비자성 회전체의 회전 감지기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 비자성 도체판이 동일 형상으로 2개 이상 구비되는 경우, 상기 비자성 도체판은 임펠러의 원주방향을 따라 서로 동일 간격으로 부착되며, 상기 비자성 도체판이 부착되지 않은 나머지 부분은 비자성 도체판의 형상과 동일한 것을 특징으로 하는 비자성 회전체의 회전 감지기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 비자성 도체판은 구리, 알루미늄 및 스테인레스 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 그 두께는 0.05mm ~ 0.15mm의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 비자성 회전체의 회전 감지기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 비자성 도체판과 상기 인덕터와의 이격거리는 0.5 ~ 1mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 비자성 회전체의 회전 감지기.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 비자성 회전체의 회전 감지장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량 측정장치.

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