KR20130118463A - 결빙 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 결빙 센서는 물과 얼음에서의 유전율이 서로 상이함을 감안하여 규격화된 용기에 물을 담아놓고 커패시턴스를 측정하여 측정된 값이 변화되는 것을 감지함으로써, 결빙의 시점을 검출하는 결빙센서로서, 물이 결빙될 때 물의 상변화 유전율이 변하게 되고, 이 유전율의 변화는 물의 상하에 존재하는 도체판에 의해서 커패시턴스가 변화하는 것을 검출함으로써, 기상악화에 따른 갑작스런 날씨변화와 외기저하 시에 발생되는 결빙을 사전에 예측할 수 있으므로, 결빙에 따른 안전사고를 예방할 수 있는 효과를 가진다.

Description

결빙 센서{FREEZING SENSOR}

본 발명은 결빙 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결빙과 해빙을 객관적인 방식으로 정밀하게 측정할 수 있는 결빙 센서에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 기상관측(meteorological observation)은 기압, 습도, 풍속 등을 측정하여 대기의 상태를 파악하여 구름, 안개, 비와 같은 여러 가지 기상현산을 관측하는 일을 통틀어 이르는 말로서, 다른 자연현상의 관측과 공통점이 많으나, 일기도를 보면 대기 중의 현상은 공간적인 넓이가 있음에 따라, 그 실태를 명백히 파악하기 위해서는 많은 지점의 관측에 의해 그 분포를 파악해야 하는 것이 기상관측으로서의 특징이라 할 수 있다. 이 때문에 여러 곳에서의 관측의 비교가 중요한데, 그 비교를 위해서는 각지에서 통일된 규격에 의한 관측이 행해져야 한다.

한편, 기상관측기구는, 구조상 지시식과 자기식으로 구별되며, 지시식은 구조는 간단하지만 측정에 일손을 요하며, 자기식은 측정이 간단하며, 기상요소의 시간적 변화를 밝힐 수 있고, 또 감부와 지시부를 상당한 거리로 분리하여 사용하는 원격기상기계도 있다.

지식식 기상기계로는 수은기압계 ㅇ봉상온도계 ㅇ건습구습도계(乾濕球濕度計) ㅇ증발계 등이 있고, 자기식 기상기계에는 아네로이드 자기기압계 ㅇ바이메탈 자기온도계 ㅇ자기습도계 ㅇ자기풍속계 ㅇ자기풍향계 ㅇ자기우량계 등이 있다. 원격기상기계에는 고층의 기상을 관측하는 라디오존데, 무선로봇 우량계 등이 있다.

기타의 기상관측으로 적설량 등을 검출하는 방식에서는 정전용량, 유전율을 이용하는 방법이 널리 사용되고 있으나, 결빙을 측정하는 방식으로 온도와 액체 함수량을 측정하여 결빙상태를 검출하는 방식을 사용하고 있다.

예컨대, 결빙과 해빙 시점에 대한 기상관측은 노장에 설치된 증발계에 물을 담아놓고 자연상태에서 결빙되는 시점을 관측함에 의해서 찾아내는 것으로, 물이 처음 결빙될 때를 결빙 시점이라고 하며, 얼음이 녹아서 더 이상 결빙되지 않을 때를 해빙시점이라고 정한다.

물은 결빙이 시작되면 상변화를 일으키게 되면서, 물리적 특성이 변화되어 얼음의 형태로 바뀌게 되는데, 유전율은 물 상태에서는 80의 값을 갖게 되고, 얼음상태에서는 약 4.2의 값으로 변하므로, 19배에 해당되는 차이가 발생하게 된다.

이와 같이 물의 결빙현상으로 인하여 물리적 특성이 변하면서 얼음의 형태를 가지게 될 때, 대표적인 물리적 특성의 변화는 부피, 유전율, 투자율, 도전율 등의 변화가 있다.

이상과 같은 결빙 시점과 해빙 시점은 기상관측에서 중요한 자료가 되며, 국내의 각 지역마다 기압, 습도, 풍속 등에 차이가 있으므로, 결빙 및 해빙시점은 서로 차이가 나타나게 된다.

기상관측에 적용하기 위해서는 결빙과 해빙시점에 대하여 정형화된 시기를 검출하는 것이 중요하다.

그렇지만, 종래의 통상적인 기상관측은 관측자의 육안관측을 통해서 진행되고 있고, 이러한 육안 관측법은 관측자의 주관적인 판단에 의해서 계측되는 것이므로, 관측자마다 판단 기준에 차이가 발생하게 된다.

따라서, 육악으로 파악하는 주관적인 검출법을 사용하지 않고, 객관적인 방식으로 검출하기 위해서 결빙과 해빙을 정밀하게 측정하는 장치에 대한 연구가 진행되고 있다.

하지만, 기상관측에서 널리 사용되는 기존의 결빙 센서는 니켈합금 센서의 공명주파수를 이용하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 방식의 결빙 센서는 평상시에 40Khz 대역의 주파수를 가지고 있으나, 결빙이 발생하면 130Hz로 감소하게 되므로, 제어장치에서 주파수를 검출하여 주파수의 변화가 검출함으로써, 결빙 시점을 감지할 수 있다.

그렇지만, 결빙은 물의 표면에서 시작되어 수직방향으로 내려가는 현상이 있으므로, 기존의 니켈합금 센서를 사용하려면, 물의 표면에 설치해야 하며, 설치 시의 위치는 결빙검출능력이 우수한 방향을 찾아야 하므로, 초기 설치 시에 각별한 주의를 요하는 문제가 있다.

더구나, 선행의 특허문헌으로도 아직까지는 기상관측에서 만족할 만한 장치로서 부각되고 있는 것이 없었다.

본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 장치 내부에 물이 유입되는 구조로 구성하여 평상시에 일정한 전하량이 검출될 수 있으므로, 물의 상태와 결빙상태 검출이 용이한 결빙 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 물의 유전율을 이용하여 결빙현상을 검출하는 것으로, 결빙 후 내부에 설치된 히터에 의해서 착빙을 제거할 수 있으므로, 재사용이 용이한 장점이 있는 결빙 센서를 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르는 결빙 센서는 물과 얼음 사이의 유전율의 차이를 이용하여 결빙을 검출함에 있어서, 상판과 하판으로 사용된 도체판과, 상기 도체판 사이를 일정 거리만큼 유지시키도록 상기 상판 도체판과 하판 도체판사이를 막는 부도체 외벽과, 상기 상판 및 하판 도체판과 외벽사이에 형성된 내부공간과, 상기 도체판에 전기를 흘리기 위한 전극과, 상기 내부공간에 주입된 물을 포함하되, 상기 전극사이에 전기를 흘려보내서, 상기 물의 상변화를 커페시턴스 값의 변동으로 측정한다.

내부공간과 외부를 연결하는 물주입구와 공기배출구가 형성될 수 있다.

한편, 결빙 센서가 결빙되었을 때, 착빙을 제거하기 위하여 상기 하판 도체판 외부에 열선을 포함할 수 있다.

또한, 결빙 센서가 결빙되었을 때, 착빙을 제거하기 위하여 상기 상판 도체판과 하판 도체판에 전극을 2개씩 두어 각각의 도체판의 전극에 전기를 공급하여 도체판을 발열시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 물과 얼음에서의 유전율이 서로 상이함을 감안하여 규격화된 용기에 물을 담아놓고 커패시턴스를 측정하여 측정된 값이 변화되는 것을 감지함으로써, 결빙의 시점을 자동으로 검출할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 물의 상변화 유전율이 변화되는 것을 커패시턴스 측정방법으로 자동으로 검출하게 되므로, 기상악화에 따른 갑작스런 날씨변화 및 동절기의 기온저하 시에 발생되는 결빙을 사전에 검출함으로써, 결빙에 따른 안전사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결빙 센서의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성한 결빙 센서의 구성도이고,
도 3은 도 1 실시예의 결빙 센서의 등가회로이고,
도 4는 도 1 실시예의 결빙 센서에 따른 결빙 시의 유전율 변화를 나타내는 응답 특성이고,
도 5는 본 발명의 결빙 센서의 작동에 사용되는 개략적인 제어방법을 나타내는 개략도이고,
도 6은 본 발명의 결빙 센서의 출력 응답을 나타내는 응답 특성도이고,
도 7은 본 발명에 따른 결빙 센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결빙 센서의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 결빙 센서(1)는 도체에 전위 포텐셜이 인가되면 전하가 축전되는 효과가 나타나는 현상을 이용하는 것으로, 상기 효과는 단일 도체보다는 둘 이상의 서로 다른 전위 포텐셜이 인가되었을 때에 검출이 용이하므로, 이러한 축전효과를 사용하여 유전율을 검출하는데 적용된다.

이에 따라, 본 발명의 결빙 센서(1)는 상판과 하판에는 도체판(3)(7)을 사용하고, 상판 도체판(3)과 하판 도체판(7)사이를 부도체의 외벽(5)으로 막아, 상판 및 하판 도체판(3)(7)사이에 내부공간(11)을 형성한다.

본 실시예에 있어서, 상판 도체판(3)에는 물주입구(12)와 공기배출구(13)가 형성되지만, 상판 도체판(3)이 아닌 곳에 물주입구(12)와 공기배출구(13)를 형성하더라도, 내부공간(11)과 외부를 연결하는 곳이라면 관계없음은 물론이다.

물주입구(12)를 통하여 물(6)을 주입하여 내부공간(11)을 물(6)로 채워 넣으면, 내부공간(11)에 남아있는 공기는 공기배출구(13)을 통해서 빠져 나가게 된다.

물(6)이 내부공간(11)에 가득 차게 되면, 공기배출구(13)을 밀폐시켜서 물이 외부로 빠져나가는 것을 방지한다.

또한 결빙 센서(1) 상하의 상판 및 하판 도체판(3)(7)에는 전극(2)(10)을 부착한다. 이와 같이 전극(2)와 전극(10) 사이는 물에 의해 절연된 공간으로서 회로적으로 특정한 커패시턴스 값을 가지게 된다.

이와 같이 본 발명의 결빙 센서(1)는 전극(2)와 전극(10) 사이에 물에 의해 확보된 절연 공간이 전자회로적으로 특정한 커패시턴스 값을 가지게 되므로, 상기의 전극(2)(10)사이에 전기를 흘려보내면, 물과 얼음일 때 커패시턴스 값의 차이에 의해서 전기의 흐름양에는 차이가 나타나게 되므로, 이러한 현상을 이용하여 결빙시점을 찾아낼 수 있게 된다.

전극(2)(10)에 전기를 흘려보내면, 일정한 커패시턴스 값이 나타나게 되는데, 물에 결빙현상이 발생하게 되면, 커패시턴스 값에 차이가 발생하기 시작하므로, 커패시턴스 값을 검출하면 물의 결빙상태를 확인할 수 있게 된다.

또한, 하판 도체판(7)에는 니크롬 열선(8)을 부착하여 본 발명 결빙 센서(1)가 결빙되었을 때, 니크롬 열선(8)에 부착된 전극(9)을 통하여 전기를 흘려주면, 열선(8)에 열이 발생되어 결빙 센서(1)의 착빙을 제거시켜 주므로, 본 발명 결빙 센서(1)를 반복적으로 재사용할 수 있도록 구성하는 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 결빙 센서의 구성도로서, 본 실시예에 따른 결빙 센서(1)는 상판과 하판에 도체판(3)(7)을 사용하고, 상판 도체판(3)과 하판 도체판(6) 사이의 내부공간(11)에는 물(6)을 채워 넣는 것은 도 1과 동일하지만, 니크롬 열선(8)를 사용하지 않고, 상판 도체판(3)과 하판 도체판(7)의 중앙부위와 끝단부위에 각각 전극(2)(16)(15)(14)을 부착한다.

전기를 공급할 때에는 전극(2)와 전극(16)을 사용하고, 결빙 센서(1)가 결빙되면, 상판 도체판(3)의 전극(2)와 전극(15)에 전기를 흘려보내 도체에 남아있는 저항에 전류가 흐르게 되어 열이 발생되어 착빙을 제거하게 된다.

또한, 하판 도체판(7)의 전극(16)과 전극(14)에도 전기를 흘려보내도 열이 발생되므로, 착빙을 제거하는 용도로 사용하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성한 결빙센서의 등가회로를 나타낸 것으로, 등가회로는 1개의 커패시터(6)와 1개의 저항(8)으로 표현된다. 즉, 커패시터(6)는 내부공간(11)의 물에 해당되고, 저항(8)은 니크롬 열선에 해당된다.

커패시터(6)는 물에 의해 발생한 커패시턴스로, 물은 약 80 F/m의 유전율을 가지지만, 결빙에 의해 상변화가 발생한 얼음 상태의 물은 4.2 F/m 정도로 급격히 감소하게 되므로, 결빙 구간에서 커패시터(6)의 커패시턴스 값이 급격히 변화하게 된다.

이러한 커패시턴스의 변화를 검출한다면 결빙 여부를 감지할 수 있는 센서를 구현할 수 있으며, 전극(2)와 전극(10)사이의 커패시턴스를 측정하는 도중 결빙이 된 것으로 판단된다면, 전극(10)과 전극(9)사이에 전류를 흘려보내고, 그 결과 니크롬 열선(8)은 열선 역할을 수행하며 발열을 하게 된다.

도 4는 본 발명의 결빙 센서를 작동하는 개략적인 제어방법으로서, 본 발명의 결빙 센서(1)는 제어장치(20)에서 도 3의 구형파(A)를 입력신호(23)로서 전극(2)에 공급하고, 출력신호(24)를 비교회로(22)에서 비교전압(21)과 비교하다. 그 결과 전압이 높으면, 비교회로(22)의 출력단(25)은 LOW를 유지하게 되고, 반대로 출력신호(24)가 비교전압(21)보다 작으면, 출력단(25)은 HIGH를 유지하게 된다.

도 5는 결빙현상에 따른 유전율의 변화량을 나타내는 것으로, 도 2에 전기를 인가할 경우에, 입력을 구형파(A)를 공급하면, 내부공간(11)의 물(6)이 결빙되기 시작하여 얼음으로 변하게 되면, 유전율이 저하되므로, 출력 신호는 급격히 상승하여 신속한 응답특성을 나타내며(B), 물의 경우에는 얼음과 비교할 때 완만한 상승곡선(C)을 나타내므로, 출력신호의 기울기를 검출함에 의해서 결빙 시점을 검출할 수 있게 된다.

도 6은 도 4의 출력응답을 나타내는 것으로, 전극(2)에 입력되는 전기신호에 해당되는 입력신호(A)와 유전율값이 큰 상태인 결빙에 해당될 때의 출력값(B)는 기준신호인 입력신호에 대해서 t1의 위상차가 발생하고, 유전율이 결빙보다 클 때인 물의 상태일 때의 출력값(D)에서는 t3의 위상차가 발생함을 나타내고 있다.

제어장치(20)에서는 상기의 위상차를 기준으로 결빙현상을 검출하게 되며 관측의 편의를 위하여 디스플레이(26)에 결빙 신호를 표시하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 결빙센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도를 나타내는 것으로, 전극(2)에 기준신호를 공급하면(S100), 장치 내부로 전기가 인가되고 전극(10)에서 출력신호가 나타나므로, 비교회로(22)에서 비교전압(21)과 비교하게 된다 (S120). 비교회로(22)에서의 비교 결과, 비교전압(21)보다 출력값이 크게 되면, 비교회로(22)의 출력은 LOW가 발생하여, 기준신호(A)와 출력신호(B,C,D) 등의 위상차가 검출되어 t1, t2, t3 등으로 나타나므로, t1, t2, t3으로부터 결빙의 검출을 확인할 수 있다(S140). 결빙이 검출되면, 니크롬 열선(8)을 작동하게 되며(S160), 결빙이 검출되지 않으면, 이를 디스플레이(26)에 표시하게 되고(S180), 상기의 (S100) 내지 (S140)의 과정은을 수행하게 된다.

이와 같이, 유전율의 차이를 이용하여 결빙을 검출하는 방법으로는 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 기준신호(A)를 공급할 때 제어장치(20)에서 카운트를 시작하여 t1이 나타날 때까지 소요된 카운트의 숫자를 비교함에 의해서 결빙을 판단할 수 있다.

물의 경우에 유전율은 커서 t3까지의 시간 지연이 발생하게 될 것이므로, t에서 시작된 카운트 숫자는 큰 값이 될 것이고, 얼음의 경우에는 유전율이 작아서 카운트 숫자는 물의 경우인 t3보다는 작은 값인 t1으로 나타나게 되므로, 디스플레이(26)에서 숫자로 표현시켜 나타낼 수 있다.

따라서, 기상관측을 통해 결빙시점을 검출하고자, 노장에 설치된 증발계에 물을 담아놓고 자연상태에서 결빙되는 시점을 육안으로 관측하는 것보다는 객관적인 결과를 얻을 수 있는 장점이 있고, 결빙시점 뿐만 아니라, 얼음이 녹아서 더 이상 얼지 않는 상태인 해빙시점까지도 제시할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 결빙 센서는 그 외부의 상판과 하판에 단단한 재질로 구성된 도체판을 설치하고, 상기 도체판에는 각각 각각 전극을 부착하는 구조로 구성하며, 니크롬 열선을 부착하여 결빙 센서가 결빙되었을 때 착빙을 제거하기 위하여 열을 공급하면서 재사용이 가능한 것이다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 결빙 센서에 대한 바람직한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1 : 결빙센서 2,9,10,14,15,16 : 전극
3,7 : 도체판 5 : 외벽
6 : 물 8 : 니크롬 열선
11 : 내부공간 12 : 물주입구
13 : 공기배출구 20 : 제어장치
21 : 비교전압 22 : 비교회로
23 : 입력신호 24 : 출력신호
26 : 디스플레이

Claims (4)

1. 물과 얼음 사이의 유전율의 차이를 이용하여 결빙을 검출함에 있어서,
   상판과 하판으로 사용된 도체판과,
   상기 도체판 사이를 일정 거리만큼 유지시키도록 상기 상판 도체판과 하판 도체판사이를 막는 부도체 외벽과,
   상기 상판 및 하판 도체판과 외벽사이에 형성된 내부공간과,
   상기 도체판에 전기를 흘리기 위한 전극과,
   상기 내부공간에 주입된 물을 포함하되,
   상기 전극사이에 전기를 흘려보내서, 상기 물의 상변화를 커페시턴스 값의 변동으로 측정하는
   결빙 센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 내부공간과 외부를 연결하는 물주입구와 공기배출구가 형성되는
   결빙 센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 결빙 센서가 결빙되었을 때, 착빙을 제거하기 위하여 상기 하판 도체판 외부에 열선을 포함하는
   결빙 센서.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 결빙 센서가 결빙되었을 때, 착빙을 제거하기 위하여 상기 상판 도체판과 하판 도체판에 전극을 2개씩 두어 각각의 도체판의 전극에 전기를 공급하여 도체판을 발열시키는
   결빙 센서.

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