KR20100127989A

KR20100127989A - 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀

Info

Publication number: KR20100127989A
Application number: KR1020090046372A
Authority: KR
Inventors: 이성규; 이성호
Original assignee: 주식회사 서진인스텍
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-07
Also published as: KR101059939B1

Abstract

본 발명은 탱크 내 저장물의 수위 변화에 따라 디스플레이서에 작용하는 부력에 따른 힘의 변화량이 토크튜브의 비틀림 응력변화로 발생되고, 비틀림각이 일정 메카니즘을 통해 직선운동으로 바뀌어 전달된 힘의 변화를 분석하여 수위를 측정할 수 있도록 한 로드셀에 관한 것이다. 본 발명은 고저항 저소모전류 구성에 의해 전력소모를 절감할 수 있도록 하고, 전원선을 별도로 구성하지 않고 신호선만으로도 동작이 가능토록 할뿐만 아니라, 온도센서 구성에 의해 온도변화에 따른 로드셀의 히스테리시스(履歷) 변화를 보상할 수 있도록 한다.

수위, 로드셀, 토크튜브, 전송기

Description

디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀{Road cell for Displacement type level transmitter}

본 발명은 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀에 관한 것으로써, 특히 탱크내 액체 저장물의 레벨(수위) 변화에 따라 디스플레이서에 작용하는 부력에 따른 힘의 변화량이 토크튜브에 비틀림 응력으로 발생되면, 비틀림각이 일정 메카니즘을 통해 직선운동으로 바뀌어 전달된 힘의 변화를 분석하여 액체 레벨을 측정할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 석유화학 플랜트의 액체탱크나 화력발전소의 터빈 등에 연결되는 응축수 탱크 등과 같은 고온, 고압형의 탱크 내 액체 레벨을 표시하는데 사용된다.

일반적으로 공지된 탱크 내 수위 변화 측정수단으로는 레벨트랜스미터를 들 수 있다.

레벨트랜스미터는 탱크 내에 채워진 액체에 잠긴 디스플레이서의 부력에 의한 미소변위를 토션바를 통해 로드셀에 전달함으로써 선형적인 전기신호로 출력하 여 이 신호 크기에 따른 레벨을 표시하는 방식과, 탱크내 액체 유압이 레벨에 따라 변하는 점을 이용하여 탱크내에 설치된 압력센서에서 검출된 압력을 선형적인 전기신호로 출력하고 상기에서와 마찬가지 방식으로 표시하는 방식 등 다양한 방식이 있다.

구체적인 수위 변화 측정을 위한 구성을 도시한 도 1은 여러 가지 방식 중 디스플레이서 및 로드셀을 이용하여 탱크내 레벨을 측정하는 레벨트랜스미터의 동작원리를 도시한 도면이다.

도 1에 있어서, 디스플레이서(1)는 탱크(4)내에 저장된 액체에 잠겨 있으며, 액체레벨의 하강에 따라 디스플레이서(1)에 작용하는 부력이 점차 변화하면 그에 따라 디스플레이서(1)가 연결된 토션바(2)에 일정한 힘(비틀림 응력)이 가해진다.

이러한 동작과정을 거쳐 로드셀(3)에서 선형적인 전기신호가 발생되어 신호처리장치로 전송됨으로써 전기신호 크기에 따른 액체 레벨을 분석한다.

그런데 이 같은 종래 수위 변화 측정장치는 스트레인 게이지에 구성되는 휘스톤브릿지회로가 저저항으로 설계 구성됨에 따라 전류가 커져 전력소모가 많아진다는 문제점이 있었다.

또한 이러한 회로구성은 결국 기기동작전원이 필수적으로 연결 구성되어야 하는 단초를 제공하므로 회로가 복잡해지는 문제점이 있었다.

또한 종래 수위 변화 측정장치는 예컨대 탱크(4)내에 액체가 없어 부력이 작용하지 않을 경우 일정무게를 지닌 디스플레이서(1)에 의한 하중이 그대로 스트레인 게이지(3)에 무리한 힘으로 가해지므로 기기의 내구성에 악영향을 줄 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 다관절 연결방식의 부력전달 구조는 탱크 내 수위의 급격한 변화나 배관 등 주변설비의 진동을 직접적으로 받는 종래의 수직형에 비해 진동이나 충격, 급격한 비정상 수위 변화에 안정적인 출력이 보장되는 장점이 있으며 이는 정밀한 출력 보장과 기기의 내구성 보장에 직접적인 영향을 미친다.

본 발명은 상기와 같은 종래 수위 변화 측정장치에 내재된 문제점을 감안하여 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 고저항 저소모전류 구성에 의해 전력소모를 절감할 수 있도록 한 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고저항 저소모전류 구성에 의해 전원선을 별도로 구성하지 않고 신호선만으로도 동작이 가능토록 한 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 온도센서 구성에 의해 기기자체 및 주위온도변화에 따른 히스테리시스(履歷) 변화를 보상할 수 있도록 한 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀은, 탱크에 채워진 액체에 잠겨져 부력이 작용하는 디스플레이서; 상기 디스플레이서에 작용하는 부력에 의해 응력이 발생하는 토션바; 상기 토션바를 통해 발생된 응력을 토대로 변형률을 측정하는 로드셀; 상기 로드셀 내의 스트레인 게이지에 의해 측정된 변형률을 전기적신호(전압변화량)로 환산변환하는 휘스톤브릿지회로; 기기 자체 및 주위의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 로드셀에 의해 전기적신호로 환산변환되어 증폭된 후 디지털데이터로 변환되어 입력된 데이터를 처리하여 탱크내 수위 변화를 측정하고, 온도센서의 감지값을 입력받아 온도변화에 따른 히스테리시스(履歷) 변화분을 보상하도록 제어하는 호스트컴퓨터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스트레인 게이지에 구성되는 휘스톤브릿지회로는 저전류 고저항으로 구성하여 저전력 소비에 의해 신호선만으로 동작이 가능토록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호스트컴퓨터는 온도센서의 감지값에 따라 히스테리시스(履歷) 변화분을 보상하도록 비교기준값을 저장 관리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 휘스톤브릿지회로는 입력저항 5kΩ, 출력저항 5kΩ, 입력전압 3V/DC, 출력전압 3mV 이상, 절연저항이 50V DC에서 2,000MΩ 이 되도록 설정된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 신호선은 24V 신호선인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀은 수평변위나 경사에서 자유롭도록 싱글포인트로 하중이 가해지게 설계된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀은 스트레인 게이지의 내부를 아령형상으로 통공시켜 탱크내 액체가 없을 경우 디스플레이서의 하중이 미치는 영향을 최소화한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀에 따르면 다음과 같은 뛰어난 효과가 있다.

첫째, 고저항 저전류 구성에 의해 전력소모를 절감할 수 있으므로 경제적 이다.

둘째, 고저항 저전류 구성에 의해 전원선을 별도로 구성하지 않고 신호선만으로도 기기 동작이 가능하므로 회로 구성이 간단해진다.

셋째, 온도센서 구성에 의해 기기자체 및 주위온도변화에 따른 히스테리시스(履歷) 변화를 보상하여 동작의 불안정을 방지하므로 정확한 수위 변화 측정이 가능하다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 로드셀의 기구적인 구조도, 도 3은 본 발명의 탄성체(로드셀)가 하중을 받는 원리도, 도 4는 본 발명의 로드셀에 구성된 휘스톤브릿지 회로 도, 도 5는 본 발명의 로드셀의 감지신호 처리 구성도, 도 6은 본 발명의 로드셀의 감지신호 처리 흐름도, 도 7은 본 발명의 로드셀의 온도 감지신호 처리 흐름도이다.

일반적으로 로드셀이란 하중계(荷重計)의 일종으로 외부로부터 가해지는 힘(하중)에 비례한 전압이나 압력에 의해 변환하는 변환기로써 일반적으로 변형게이지식이 널리 쓰인다. 변형게이지식 로드셀은 무게를 받으면 탄성 변형하는 곳에 전기저항 변형게이지를 접착하여 브리지를 구성시켜 무게에 비례한 전압으로 변환할 수 있게끔 되어 있다.

로드셀은 힘이나 하중 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 이에 비례하는 변형이 발생하며 단위 길이당 발생하는 변형량을 변형률(Strain)이라고 한다. 이때 발생되는 변형률은 힘이나 하중의 크기에 비교적 직선적으로 변화된다는 특징을 가지고 있다. 공학적 필요에 의하여 변형률의 측정이 요구되었으며 이를 위하여 개발된 측정소자(Sensor)가 스트레인 게이지이다.

요약하면, 로드셀은 탄성 변형체(Elastic strain member)(스트레인 게이지)의 수감부에서 발생하는 물리적 변형이 전기저항 변화로 변환되면 이를 휘스톤브릿지라는 전기회로를 통해 정밀한 전기적신호로 변환시킴에 따라 그 전기적신호를 토대로 측정치를 확인하는 것이다.

이러한 원리로 동작하는 로드셀을 본 발명에서는 저전류, 고저항으로 설계하고 온도센서를 부착하여 전력소모를 줄이고 수위 측정의 정확성을 향상시켰다.

본 발명의 전체적인 구성은, 탱크에 채워진 액체에 잠겨져 부력이 작용하는 디스플레이서(1); 상기 디스플레이서(1)에 작용하는 부력에 의해 응력이 발생하는 토션바(2); 상기 토션바(2)를 통해 발생된 응력을 토대로 변형률을 측정하는 스트레인 게이지(3); 상기 스트레인 게이지(3)에 의해 측정된 변형률을 전기적신호(전압변화량)로 환산변환하는 휘스톤브릿지회로(11); 기기 자체 및 주위의 온도를 감지하는 온도센서(12); 및 상기 휘스톤브릿지회로(11)에 의해 전기적신호로 환산변환되어 증폭된 후 디지털데이터로 변환되어 입력된 데이터를 처리하여 탱크(4)내 수위 변화를 측정하고, 온도센서(12)의 감지값을 입력받아 온도변화에 따른 히스테리시스(履歷) 변화분을 보상하도록 제어하는 호스트컴퓨터(100)로 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명은 도 2에 도시한 바와 같이 탱크(도시 생략)에 채워진 액체에 잠겨진 디스플레이서(1)에 부력이 작용하여 토션바(2)를 통해 스트레인 게이지(3)에 의해 변형률이 측정되면 도 4에 도시한 휘스톤브릿지회로(11)를 통해 전기적신호(전압변화량)로 환산변환되고, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 데이터처리에 적합한 값으로 증폭되어 디지털데이터로 변환된 후 하트인터페이스(HART Interface)를 통해 호스트컴퓨터(100)에 입력됨에 따라 탱크(4)내 수위 변화를 측정(분석 판단)한다.

평상시(탱크 내 액체의 수면이 동일하게 유지되는 경우)에는 전기적 평형이 유지되어 극히 미세한 전류가 흐르다가 어느 한쪽의 불균형이 발생하면(히스테리시스(履歷)이 변하면) 그쪽으로 전류가 흘러 이 전류의 흐름이 전압의 변화로 나타나 므로 이러한 상태를 이용하여 수위 변화를 검출하는 것이다.

이러한 변화를 정확하게 감지하기 위하여 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명의 휘스톤브릿지회로는 저전류 고저항 설정으로 전력소모가 적도록 하는바, 입력저항 5kΩ, 출력저항 5kΩ, 입력전압 3V/DC, 출력전압 3mV 이상, 절연저항이 50V DC에서 2,000MΩ 이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 따르면 별도의 전원이 필요없이 24V의 측정값을 입출력하는 신호선 전력만으로도 기기 동작이 가능하다.

또한 히스테리시스(履歷)의 변화가 스트레인에 의해서만 나타나지 않고 온도나 습도에 따라 변할 수도 있으므로 이에 대한 보상이 반드시 필요한바, 본 발명의 로드셀은 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 일정위치에 온도센서(12)를 부착하고, 온도센서(12)에서 감지된 온도신호가 디지털데이터로 변환되어 호스트컴퓨터(100)에 입력되면, 호스트컴퓨터(100) 저장 관리되는 기준치와 비교되어 그 비교결과에 따라 휘스톤브릿지회로(11)에 구성된 히스테리시스(履歷)를 그대로 유지하거나 일정값으로 변화(보상)시켜 측정의 부정확성을 방지토록 한다. 이 같은 동작흐름은 도 7에 도시되어 있다.

또한 본 발명의 로드셀은 도 3에 도시한 바와 같이 수평변위나 경사에서 자유롭도록 싱글포인트로 하중이 가해지게 설계되며, 결과적으로 본 발명의 금속 탄성체에 싱글포인트로 하중이 가해졌을 때 정확하게 감지된 탄성체의 변형량(스트레인)을 전기저항으로 변환시켜 측정치를 알 수 있다.

또한 본 발명은 로드셀의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소가 탄성변형체의 구조로써, 이 구조는 측정하고자 하는 하중 특성, 용량 그리고 정밀도 등에 의해 결정되고, 탄성변형체는 가해진 하중에 반응하여 스트레인 게이지를 부착한 지점에 집중적으로 균일한 변형률을 발생시킬 수 있어야 한다는 점을 고려하여, 상술한 바와 같이 싱글포인트로 하중이 가해지도록 설계됨과 동시에 로드셀의 형상을 도 6에 도시한 바와 같이 구성한다.

탱크(4)내에 액체가 전혀 채워져 있지 않으면 디스플레이서(1)에 부력이 전혀 부력이 작용하지 않는 상태이므로 이를 장시간 방치할 경우 디스플레이서(1)의 하중이 그대로 토션바를 통해 스트레인 게이지에 미치게 되어 내구성을 악화시킨다.

따라서 이 같은 상황을 방지하기 위하여 본 발명은 도 2에 도시한 바와 같이 디스플레이서(1)로부터의 하중으로 인한 장치에 대한 악영향을 최소화하기 위하여 내부를 아령형상(13)으로 통공시켜 하중을 흡수하는 면적을 최소화함으로써 기기의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1은 일반적인 로드셀의 기본 동작 원리도.

도 2는 본 발명의 로드셀의 기구적인 구조도.

도 3은 본 발명의 싱글타입 탄성체(로드셀)가 하중을 받는 원리도.

도 4는 본 발명의 로드셀에 구성된 휘스톤브릿지 회로도.

도 5는 본 발명의 로드셀의 감지신호 처리를 위한 전체적인 구성도.

도 6은 본 발명의 로드셀의 하중 감지신호 처리 흐름도.

도 7은 본 발명의 로드셀의 온도 감지신호 처리 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 디스플레이서 2 : 토션바

3 : 스트레인 게이지 4 : 탱크

11 : 휘스톤브릿지회로 12 : 온도센서

13 : 아령형상

Claims

탱크에 채워진 액체에 잠겨져 부력이 작용하는 디스플레이서(1);

상기 디스플레이서(1)에 작용하는 부력에 의해 응력이 발생하는 토션바(2);

상기 토션바(2)를 통해 발생된 응력을 토대로 변형률을 측정하는 스트레인 게이지(3);

상기 스트레인 게이지(3)에 의해 측정된 변형률을 전기적신호(전압변화량)로 환산변환하는 휘스톤브릿지회로(11);

기가자체 및 주위의 온도를 감지하는 온도센서(12); 및

상기 휘스톤브릿지회로(11)에 의해 전기적신호로 환산변환되어 증폭된 후 디지털데이터로 변환되어 입력된 데이터를 처리하여 탱크(4)내 수위 변화를 측정하고, 온도센서(12)의 감지값을 입력받아 온도변화에 따른 히스테리시스(履歷) 변화분을 보상하도록 제어하는 호스트컴퓨터(100)로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.
제1항에 있어서,

상기 스트레인 게이지(3)에 구성되는 휘스톤브릿지회로(11)를 저전류 고저항으로 구성하여 저전력 소비에 의해 신호선만으로 동작이 가능토록 한 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.
제1항에 있어서,

상기 호스트컴퓨터(100)는 온도센서(10)의 감지값에 따라 히스테리시스(履歷) 변화분을 보상하도록 비교기준값을 저장 관리하는 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 휘스톤브릿지회로(11)는 입력저항 5kΩ, 출력저항 5kΩ, 입력전압 3V/DC, 출력전압 3mV 이상, 절연저항이 50V DC에서 2,000MΩ 이 되도록 설정된 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.
제2항에 있어서,

상기 신호선은 24V 신호선인 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.
수평변위나 경사에서 자유롭도록 싱글포인트로 하중이 가해지게 설계된 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.
내부를 아령형상(13)으로 통공시켜 탱크(4)내 액체가 없을 경우 디스플레이(1)의 하중이 미치는 영향을 최소화한 것을 특징으로 하는 디스플레이먼트식 수위 전송기용 로드셀.