KR20120014532A - 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계 - Google Patents

Abstract

본발명은 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계에 관한 것으로서, 적외선 발광소자와 수광소자를 한 쌍으로 하여 대향 하게 설치하고 임펠러 축상에 광선로 개구부를 형성시켜 임펠러의 회전에 따라 적외선의 선로를 개폐[ON/OFF] 시키는 구조로 하여 수광소자의 응답신호를 탐지하여 회전수를 감지하여 유량을 측정하는 것이다
수광소자의 응답신호는 응답 전압 감지회로에 연결되어 전압 레벨의 변화로 나타나며 이를 감지 연산하는 제어부 및 표시부 통신부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 임펠러의 회전수 감지를 위해 반도체 소자인 적외선 발광 수광소자를 사용함으로써 외부 자성체의 영향이나 유체에 함유된 성분이나 유체의 전기 전도성 등에 완전히 자유로운 회전체의 회전 감지 능력과 외부 자연광으로부터 발생하는 적외선을 완전히 차단하는 구조를 형성함으로써 내부 회로의 감도를 높여 내부 동작 전류 소모를 크게 줄임으로써 신뢰성과 내구성이 있는 유량측정 장치를 제공하는 것이다.

Description

적외선 센서를 이용한 전자식 유량계{ELECTRONIC FLOW METER OF INFRARED SENSOR TYPE}

본발명은 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 임펠러의 회전수를 감지하여 유량을 측정하는 유량계에서 회전수 감지 방법으로 적외선 센서를 이용하는 것이다. 적외선 발광소자와 수광소자를 한 쌍으로 하여 마주보게 설치하고 중앙에 임펠러와 연동하여 회전하는 회전체가 회전하면서 적외선의 선로를 개폐[ON/OFF] 시키는 구조로 하여 개[ON]구간에서는 수광소자의 수신 감도를 높게 하고 폐OFF]구간에서는 수신 감도가 낮게 하여 개[ON],폐[OFF]시의 감도 차이를 크게 함으로서 정확하고 효율적으로 회전수를 감지할 수 있도록 적외선 센서의 구동 구조와 측정 방법을 적용하는 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계에 관한 것이다.

일반적으로 수도 미터기 등 가정용 유량 측정기기의 유량측정 방법은 측정 미터기 함체 내부에서 유체가 흐르는 힘으로 임펠러를 회전시키고 그 회전수를 감지하여 유량의 값을 환산하는 방법을 사용한다.

유체가 흐르는 유량계 함체 내부에서 임펠러를 회전시켜 회전운동의 정보를 함체 외부에서 감지하기 위하여 함체 내부의 함체 덮개와 근접한 임펠러 상부에 영구자석을 부착하고 함체 덮개의 외부에 내부 자석의 회전 운동에 따라 자력의 힘의 변화가 발생하는 위치에 리드-스위치, MR 센서등 자기센서를 부착하고 회전운동에 따른 자력의 힘에 의해 단속되는 자기센스의 단속(ON/OFF)정보를 전자회로에 접속하여 회전수를 검출하고 이 회전수를 기초로 유량을 측정하는 방법을 사용한다

이러한 자석과 자기센서의 사용방식은 설치구조나 전력소모 면에서 우수한 평가를 받을수 있지만 자력에 아주 취약하여 가까이에 자성체를 두면 동작이 불능상태가 되는 것이 커다란 문제점으로 지적되고 있으며 또한 자석을 사용하므로 수년간 사용하면 물속에 철 성분의 잔유물들이 자석에 엉겨붙어 고장이나 오차를 발생시키게 되는 취약점으로 알려져 있다.

이러한 자기센서의 문제점에 대응하는 방법으로 임펠러의 회전수를 감지하는 방법으로 임펠러와 같이 회전하는 도체 부와 부도체 부가 각각 반씩으로 나누어 형성시킨 원반 회전체와 가까이에 위치한 인덕터를 이용하여 와전류를 발생시켜서 LC 공진회로를 적용하여 임펠러의 회전수를 감지하는 방법이 대두 되고 있지만 원반 회전체와 인덕터의 거리를 아주 가까이 근접시켜야 하므로 구조적으로 취약하며 순수한 물은 전기 전도성이 없으나 일반적인 용수는 전기 전도성이 크므로 원반 회전체가 물속에 위치하게 되면 물의 전기 전도성 등을 고려해야 하며 와전류를 발생시키려면 높은 순간 전류를 흘려야 하므로 전력소모가 커야 한다는 등의 문제점이 있다. 이에 따라 본 발명은 LED 반도체소자로써 적외선을 수 발광센서를 이용하여 내구성과 신뢰성이 보장되며 전력소모 면에서도 우수한 감지회로를 구성하여 임펠러의 회전수를 감지하여 유량측정을 기초로 하는 유량계에 적용하고자 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 영구자석과 자기센서를 사용한 유량측정용 미터기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 임펠러의 회전 감지를 위해 반도체 소자인 적외선 발광 수광소자를 사용함으로써, 외부자성체의 영향이나 유체에 함유된 성분이나 유체의 전기 전도성 등에 완전히 자유로운 회전체의 회전 감지 방법을 제공할 수 있어 신뢰성이 높고, 제작이 용이한 경쟁력 있는 전자식 유량 측정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은 한 쌍의 적외선 발광소자와 수광소자,임펠러 회전시 적외선의 선로를 개폐할 수 있도록 임펠러 축의 상부에 적외선 광신호가 관통할 수 있도록 광선로 개구간을 형성하는 홀을 가진 임펠러를 적용하고, 유량부 본체 덮개상부를 원통형으로 으로 돌출시켜 임펠러 적외선 개구부를 감싸고 임펠러축상의 적외선 개구홀과 대응되는 높이에서 한쌍의 적외선 발광소자와 수광소자를 지지할 수 있는 구조를 형성하여 적외선 발광소자와 수광소자에 전기적 동작 신호를 공급하고 임펠러의 회전에 따라 적외선 개구부가 적외선 발광소자에서 방츨되는 적외선이 수광소자에 도달하는 선로를 개폐 시킴으로서 수광소자의 반응 상태를 측정하여 임펠러의 회전속도를 를 감지할 수 있도록 설계된 PCB상의 회로와 제어부에서 그 회전 값을 적산하여 정확한 유량 값을 표시부 LCD에 표시하고 통신 선로를 통하여 원격감시장치 등에 측정값을 제공함으로써 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계의 의하여 달성된다.

본 발명은 임펠러의 회전 감지를 위해 반도체 소자인 적외선 발광 수광소자를 사용함으로써 외부 자성체의 영향이나 유체에 함유된 성분이나 유체의 전기 전도성 등에 완전히 자유로운 회전체의 회전 감지 능력으로 신뢰성을 확보하고

한쌍의 적외선 소자가 완전히 외부 광선으로 부터 차단된 미터기 함체 내부 공간에 존재 함으로서 적외선 수광소자는 오직 적외선 발광소자가 발생시키는 적외선과 임펠러 개구부의 회전에 따른 선로의 개폐상태에 따라 민감하게 동작하기 때문에 일반 환경에서의 10분의 1정도의 동작 전류 환경에서도 민감하게 회전신호를 감지할 수 있으며 적외선 소자에 흐르는 전류가 감소하는 만큼 센서 소자의 수명은 연장되므로 센서의 반영구적 내구성을 확보할 수 있으며 그 구조가 단순하므로 생산에 따른 품질의 오차가 거의 없는 기능과 생산성에서 경쟁력 있는 유량측정 장치를 제공하는 것이다.

[도1]은 본 발명의 실시 예에 따른 적외선 센서 감지부를 포함하는 유량부와 전자 제어부를 포함하는 제품의 종단면도
[도2]는 유량부의 센서 입 출력단과 연계되는 전자 제어부의 블럭도
[도3]적외선센서을 이용한 유량측정 장치의 유량부 전체의 부분품 구성도
[도4]적외선센서의 구동 신호도
===== 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 =====
10: 유량부 11: 유량부 내갑 12:임펠러 회전축
20: 임펠러 21: 임펠러 축 22: 적외선 개구홀
30: 유량부 덮개 31: 적외선 관통관
40: 적외선 센서 지지부 41: 적외선 발광소자 42: 적외선 수광소자
50.51.52.53: 적외선 수 발광소자의 회로 연결선로
60: 전자회로를 포함하는 PCB회로 기판

이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 적외선센서를 이용하는 전자식 유량계를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 적외선센서를 이용하는 전자식 유량계가 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 적외선센서를 이용한 전자식 유량계가 전자식유량계의 설치 상태를 절단한 면을 도시한 종단면도, 도 2는 동작 소프트웨어가 내장되는 제어부를 포함하는 PCB상의 기능 블럭도, 도 3은 적외선 센서을 이용한 유량측정 장치의 유량부 전체의 부분품 구성도, 도 4는 임펠러 회전시 적외선센서의 구동과 감지 신호도를 보여준다.

도 1 내지 도 4을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 적외선 센서식 전자식 유량계는 임펠러 회전축(12)에 지지되어 피측정 유체의 흐름에 따라 회전하고 축의 상부에 적외선의 관통 개구부(22)를 가진 임펠러(20)가 있고 유량부 덮개중앙부에 임펠러 축상의 돌출된 적외선 개구부(22)를 감싸고 ,적외선을 잘 통과시키며 유체의 압력에 견딜 킬 수 있도록 투명한 플라스틱 재질로 몰딩하여 형성시킨 투명 적외선 관통관(31) 임펠러 축상의 적외선 개구홀(22)과 대응되는 높이에 한쌍의 적외선 수발광소자를 지지하고 외부의 자외선은 최대한으로 차단할 수 있도록 감싸 덮을 수 있는 구조로 된 흑색의 적외선 센서 지지부(40)를 장착하고 센서의 구동회로 연결선을 PCB상의 회로(50,51,52,53)와 결선하고 제어부의 소프트웨어를 구동함으로서 완성된다.

상기 구조에서 유량부 덮개에 형성되는 투명 적외선 관통관(31)와 적외선 센서 지지부(40)는 유량부 덮개와 일체로 구성할 수도 있는 것이다.

본 발명은 미터기 유량부에 피측정 유체가 흐르는 양에 따라 비례하여 회전하는 임펠러(20)의 회전 속도를 한쌍의 적외선 발광소자(41)와 수광소자(42), 적외선 발광소자로 부터 방출되는 적외선을 경로를 개폐[ONN/OFF]함으로써 수광소자의 반응을 감지하여 회전수를 감지하는 것이다. 즉 적외선 발광소자(41)와 수광소자(42) 사이에서 임펠러의 개구홀(22)이 열린 상태이면 수광소자는 반응하여 수신 회로정보는 하이레벨 값으로 임펠러의 개구홀(22)이 닫힌 상태이면 수광소자는 반응하지 못하므로 수신 회로정보는 로우레벨 값으로 나타나게 되므로 이 정보를 이용하여 제어부에서 임펠러의 회전수를 감지하여 유량을 측정하는 것이다.

도면을 중심으로 상술하면

[1] 임펠러의 적외선 개구부(22)를 이용한 적외선 센서부의 구조와 기능

적외선 발광소자에서 방출되는 적외선은 직진 지향성이 높고 흑색에 흡수율이 높으며 반면에 백색에는 반사율이 높으며 투명한 플라스틱 재질등에 투과율이 높은 특성이 있다. 이러한 특성을 이용하여 신뢰성과 효율성을 높이기 위하여 적외선 개폐[ON/OFF]기능을하는 임펠러축의 적외선 개구부(22)는 한쌍의 센서 사이에서 회전하면서 센서와 적외선 개구부(22)가 일직선상에 위치하여 개[ON]구간 상태가 되면 적외선 발광소자(41)에서 송출된 적외선이 수광소자(42)에 손실 없이 도달할 수 있는 공간적 연결 통로를 확보하는 방안으로 적외선 개구부(22)는 관통관으로 형성시키고 폐[OFF]구간 상태에서는 임펠러축의 색상은 흑색으로 하여 적외선의 흡수율을 높이고 반사광선을 최대한 억제함으로써 최대의 효율을 얻을 수 있다.

[2]유량부의 적외선 센서와 전자부와의 회로접속

유량부의 임펠러 회전수를 감지하기 위해 유량부의 적외선 발광소자(41)와 수광소자(42)는 도선(50,51,52,53)으로 연결되며 수광소자의 출력신호는 전기적으로 아날로그특성을 나타내므로 적정한 신호레벨을 기준으로 디지털 값으로 변환하여 MPU에 전달하기 위해서 Comparator를 사용한다.

[3]저전력 소비회로를 위한 소프트웨어의 구현

적외선이 많이 분포된 노출된 공간에서 적외선 센서를 구동시키기 위해서

는 발광소자에 수 mmA(5~10mmA)의 전류가 흘러야 하지만 상술한 바와 같이 제작된 유량계내부 공간에서는 주변 자외선이 전혀 없으므로 1/10 정도 즉 500㎂ 정도의 적은 전류로 발광소자를 동작시켜도 수광소자가 민감하게 동작함을 실험을 통해 알 수 있다. 이나마 적외선 센서를 항시 구동상태로 두고 회전수를 감지하는 방법을 사용하면 전력 소모 측면에서 비효율적이므로 주기적 스캔 방식으로 신호를 검출한다. 적외선 센서는 반도체소자로서 응답속도가 10나노초 내외이므로 필요 시 순간적으로 회로를 동작시키고 수신 값을 측정하는 주기적 스캔 방식(도 4)은 전력 소비를 크게 줄일 수 있다.

현재 상용되고 있는 수도 미터기 등 가정용 전자식 유량측정장치의 최대 유량에서 임펠러의 1 회전 속도는 대부분 30mmSec 이상이므로 스캔 방식은 효율을 크게 높일 수 있다.

임펠러축의 적외선 개구부(22)의 구조를 임펠러(20)가 1회전시 적외선의 개[ON]구간, 폐[OFF]구간 상태의 타임주기가 같게 하기 위해 개구부 크기를 개구부 횡단면도(23)와 같이 하고 회전시 최대 회전 속도의 4배 주기 이내로 스캔하면 회전수를 손실 없이 감지할 수 있고, 소비전력은 수 백분의 1로 크게 줄일 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

LCD : 액정표시부
PCB : 인쇄회로 기판
Comparator : 입력 값을 기준 값과 비교하여 보다 크면 High 작으면 Low
두 가지값으로 변환하여 출력하는 반도체 소자

Claims (3)

1. 임펠러 축상에 적외선 광선로 개구부(22)를 가진 임펠러와
   상기 임펠러축과 대응되는 형상으로 중앙부가 덮개위로 돌츨되어 임펠러축상의 적외선 개구부를 감싸고 한쌍의 적외선 발광소자부와 수광소자부를 체결하고 내부에서 임펠러축이 회전할 수 있도록 소정 간격 이격되도록 형성된 유량부 덮개와
   임펠러 개구부 에 대응되도록 마주보게 설치되는 한쌍의 적외선 발광소자와 수광소자로 구성되는 적와선 센서와
   적외선 센서와 접속되어 회전감지를 구현하는 회로와 유량 값을 연산하고
   LCD에 표시하는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
2. 청구항 1에 있어서
   임펠러의 매 1/4회전(23)마다 발광소자로 부터 적외선 신호가 수광소자에 도달하는 적외선 선로가 개폐될 수 있도록 하는 개구홀(22)을 임펠러 축상에 형성시킨 임펠러(20)를 내장하여 회전감지를 하는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
3. 청구항 1에 있어서
   상기 임펠러의 정역회전을 감지하도록 상기 적외선 센서를 2쌍으로 구비하고 감지회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
   

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