KR20150028280A - 충전 수위 측정 - Google Patents

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KR20150028280A
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프란츠 게르하르트 보바흐
슈테판 라우에
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프란크 오베르마이르
요아힘 슐레러
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케이에스비 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 콘테이너(4) 안의 액체의 충전 수위를 판단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 음향 신호를 송신 및/또는 수신하는 적어도 하나의 요소(1,2)를 포함한다. 음향 신호는 고체(3)의 표면을 따라서 전파된다. 고체(3)는 고체(3)의 표면의 적어도 일 부분이 액체에 의해 적셔질 수 있는 방식으로 배치된다. 고체(3)는 상이한 콘테이너 높이들에서 음향 신호를 반사시키는 영역(5)들을 가진다.

Description

충전 수위 측정{Filling Level Measurement}
본 발명은 음향 신호를 송신 및/또는 수신하는 적어도 하나의 요소를 가진, 콘테이너 안의 액체 수위를 판단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
상기 장치는 예를 들어 폐수 승강 장치(waste water lifting equipment}와 함께 이용된다. 승강 장치는 범람 수위 아래로 떨어지는 폐수를 배출함으로써 역류에 대하여 보호를 제공한다. 이들은 거주용 빌딩의 지하실에서 발생되는 침전물을 포함하는 폐수를 이송시키는데 이용된다.
통상적인 승강 장치(lifting equipment)의 경우에, 수위 측정 및 조절은 플로트 스위치(float switch)에 의해 발생된다. 이를 위하여 움직이는 기계적 구성 요소들에 의한 측정 방법이 이용된다. 이들은 승강 장치의 폐수에서 발생되는 것과 같은 오염물에 오염되기 쉽다.
독일 출원 DE 10 2007 008 692 A1 은 승강 장치의 콘테이너를 설명하는데, 여기에서 액체 수위의 검출을 위한 센서들은 벽의 외측에서 상이한 콘테이너 높이들에 장착된다. 상기 측정 장치는 콘테이너에 고정되게 접합된다. 다수의 콘테이너들에 대한 장치의 융통성 있는 이용은 그렇게 배제된다. 따라서 상기 시스템에 있는 다수의 센서들은 불리하다.
독일 출원 DE 199 13 530 A1 은 플라스틱 수집 콘테이너를 가진 승강 장치를 개시한다. 액체는 불규칙적인 간격으로 수집 콘테이너로 유동한다. 액체는 펌프에 의해 콘테이너로부터 채널들의 네트워크로 이송된다. 콘테이너의 상부에 배치된 요소는 콘테이너 안의 액체 수위를 측정하는데 이용된다. 요소는 레이더 파동을 송신하고 레이더 파동은 액체의 표면으로부터 반사된다. 반사된 파동들은 다시 요소에 의해 수신된다. 수위(level)는 파동들의 천이 시간(transition time)으로부터 판단된다. 펌프는 수위에 따라서 스위치가 켜지고 꺼진다. 레이더 파동(radar waves)에 의한 수위 검출 방법은 복잡하다.
또한, 초음파 신호를 송신하는 요소가 콘테이너의 상부에 장착된 수위 측정 장치가 공지되어 있다. 상기 음향 신호는 액체의 표면에 의해 반사되고 요소에 의해 검출된다. 초음파 수위 측정은 비접촉 방법으로서, 천이 시간의 원리로 작동한다. 여기에서도 초음파를 반사시키는 부동 발포체(floating foam) 때문에 액체 수위의 측정 오류의 위험성이 있다.
본 발명의 목적은 오염물에는 감수성이 없고 발포체 형성의 경우에 신뢰성 있는 측정값을 전달하기도 하는 수위 측정을 위한 장치를 제공하는 것이다. 또한 상기 장치는 제조 비용이 저렴하고 신뢰성 및 오랜 수명을 특징으로 한다.
상기 목적은 고체 동체 표면의 적어도 일부가 액체에 의해 적셔질 수 있도록 배치된 고체 동체의 표면을 따라서 음향 신호들이 전파됨으로써 달성되며, 상기 고체 동체는 상기 음향 신호를 반사시키는 상이한 콘테이너 높이들에서의 영역들을 포함한다.
본 발명에 따라서, 표면 음향 파동(surface acoustic wave;SAW)은 수위 측정에 이용된다. 그에 의하여 음향 신호는 고체 동체의 표면상에서 전파된다.
고체 동체는 복합 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 바람직스럽게는 단일 재료로 형성될 것이며, 금속으로 제작된 고체 동체를 이용하는 것이 특히 유리한 것으로 증명되었다.
고체 동체는 상이한 기하학적 형상을 가질 수 있는데, 예를 들어 입방형 또는 실린더형을 가진다. 본 발명의 바람직한 구현예의 경우에 그것은 중공형 동체로서, 특히 중공형 실린더, 즉, 튜브이며, 그것이 유리한 것으로 증명되었다.
본 발명의 일 실시예에서 중공형 동체는 저부에 의해 폐쇄된다. 이러한 방식으로 액체는 중공형 동체 안으로 침투되는 것이 방지된다. 음향 표면 파동을 발생 및/또는 검출하는 요소들은 내측부상에 장착된다. 따라서 음향 신호들은 튜브 내측의 건조한 표면상에서 전파되고 튜브가 내측부상에 포함하는 영역들에 의해 반사된다. 측정 튜브는 액체 안에 담궈지는데, 오직 외측부만이 적셔진다. 놀랍게도, 음향 표면 파동들은 튜브의 건조한 내측부상에서 전파될지라도, 액체의 수위 아래에서 강하게 감쇠된다. 이것에 대한 선행 조건은 튜브의 벽 두께가 너무 크지 않은 것이다.
본 발명에 따르면 고체 동체는 표면의 적어도 일부가 액체에 의해 적셔질 수 있도록 배치된다. 이것은 SAW 가 전파되는 고체 동체의 표면 및/또는 다른 표면일 수 있으며, 이것은 예를 들어 그 표면의 대향하는 표면이다.
고체 동체는 표면 파동을 반사시키는 영역들을 포함한다. 이러한 목적을 위하여 고체 동체는 적절한, 특히 기하 형상의 예리한 가장자리 변화를 포함한다. 바람직스럽게는, 그 영역들이 표면내에 포함된 함몰부(depression)들이다. 대략 수평의 신장된 함몰부들이 그것을 위하여 가장 적절하다. 특히 유리한 실시예에서, 만입부(indentation)들이 표면 안으로 절단 및/또는 펀칭되는데, 여기에서 노취(notch)들이 특히 유리한 것으로 증명되었다. 홈(groove)도 고체 동체에서의 만입부로서 포함될 수 있다. 영역들은 고체 동체 표면의 상승부(elevation)의 형태일 수 있다.
원칙적으로 고체 동체는 콘테이너의 벽의 부재로 형성된다. 그러나, 만약 고체 동체가 콘테이너 안에 배치된 분리된 구성 요소의 형태라면 특히 유리한 것으로 증명되었다. 고체 동체는 적어도 부분적으로 액체 안에 담궈지고 상이한 콘테이너 높이들에서 반사 영역들을 포함한다. 액체 안에 담궈지지 않는 고체 동체 부분의 경우에, 음향 신호들은 감쇠 없이 노취들에서 반사된다. 반사된 신호는, SAW 를 발생시키는 것과 동일한 요소에 의해서 형성되거나 또는 분리된 요소로서 형성되는 검출기에 의해 검출된다.
액체 안에 담궈지는 고체 동체 부분의 경우에, 음향 신호들은 액체에 의해 강하게 감쇠된다. 이러한 경우는 소위 신호의 "디커플링(decoupling)"으로 호칭된다. 따라서 액체의 수위 아래에 있는 영역들에 의해 반사된 신호들은 강하게 감쇠된다.
반사된 신호들은 유닛에 의해 분석되거나 또는 평가된다. 유닛은 반사된 신호들의 파동 패턴으로부터 수위를 판단하도록 구성된다. 파동 패턴은 천이 시간(transition time)에 따라서 모든 반사 음향 신호들의 강도가 검출됨을 의미한다. 콘테이너의 저부 영역에 인접한 반사 시점들에 의해 반사된 음향 신호들은 더 위로부터의 음향 신호보다 더 긴 천이 시간을 가진다. 그 영역들에서 반사된 음향 신호들은 반향(echo)으로 지칭되기도 한다.
액체 수위 아래에서 반향들은 강하게 감쇠된다. 예를 들어 완전하게 비워진 콘테이너를 가지고 수행되는 기준 측정치와의 비교를 이용함으로써, 유닛은 수위를 판단할 수 있는데, 왜냐하면 액체의 수위 아래에 있는 반사 영역들의 신호는 기준 값들과 비교하여 강하게 감쇠되기 때문이다.
본 발명에 따른 방법으로써, 다음의 단계들이 수행된다.
- 음향 신호의 발생,
- 고체 동체의 표면을 따라서 음향 신호의 전파,
- 상이한 콘테이너 높이들에 배치된 고체 동체의 영역들에서 신호들의 적어도 부분적인 반사,
- 반사된 신호들의 검출,
- 반사된 신호들의 천이 시간의 판단,
- 반사된 신호의 신호 강도 판단,
- 기준 값들과의 비교,
- 충전 수위(fill level)의 판단.
이것은 규칙적인 시간 간격을 통해 반복적으로 수행되는 과정이다.
고체 동체가 바람직스럽게는 길이 방향의 범위를 가지고 콘테이너 안에 수직으로 배치된다. 반사 영역들의 위치는 분석의 품질에 대하여 결정적이다. 음향 신호들의 전파 방향으로 그리고 서로 평행하게 그리고 하나가 다른 하나의 위에 반사 영역들이 배치될 수 있다. 그러나, 그러한 구성의 경우에 반사된 신호들은 서로 위에 놓인다. 따라서 파동 패턴의 분석은 더욱 어렵다. 본 발명의 특히 유리한 구현예의 경우에, 반사 영역들은 반사 신호들의 전파 방향에 대하여 서로 측방향으로 오프셋(offset)되게 배치된다. 반사된 신호들의 중첩은 이러한 방식으로 감소된다. 반사된 신호들중 적어도 일부는 다수의 반사가 발생되지 않으면서 검출기로 통과된다. 이러한 방식으로 파동 패턴이 얻어져서 그것을 가지고 개별적인 반향들이 잘 구분될 수 있다.
음향 표면 파동들을 발생시키기 위한 요소들이 바람직스럽게는 압전 기재를 포함하고 압전 기재상에 빗살 전극이 송신기로서 장착된다. 이것은 인터디지털 트랜스듀서(interdigital transducer, IDT)를 형성하는데, 소위 트랜스미터 인터디지털 트랜스듀서(transmitter interdigital transducer;transmitter IDT)로 지칭되고, 압전 기재상에서 표면 파동을 발생시킨다.
램 파동(Lamb wave)과 레일레이 파동(Rayleigh wave) 사이의 천이 영역에서 램 파동 또는 표면 파동이 바람직스럽게 발생되도록 자극 주파수(stimulation frequency)가 선택된다.
본 발명의 일 실시예의 경우에, 요소들은 고체 동체의 표면상에 배치된다. 더욱이, 압전 기재는 음향학적으로 전도성 있게 고체 동체에 접합된다. 이것은 접착제로써 달성될 수 있다. 표면 파동은 압전 기재로부터 고체 동체로 전달되고 고체 동체의 표면상에서 전파된다.
반향은 검출기로서 작용하는 요소에 의해 검출된다. 상기 검출기는 빗살 전극(comb electrode)을 가진 압전 기재를 포함한다. 이것은 수신기 인터디지털 트랜스듀서(receiver interdigital transducer (receiver IDT))로서 기능하고, 수신된 음향 표면 파동을 전기 신호로 변환시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 검출기는 예를 들어 접착제에 의하여 고체 동체상에 직접 장착되기도 한다.
본 발명의 대안의 구현예의 경우에, 요소들중 적어도 하나는 헤드 부분의 표면상에 배치된다. 상기 헤드 부분은 고체 동체에 음향학적으로 결합될 수 있다. 결합은 그리스(grease)를 도포하거나 또는 접착된(glued) 접지 소켓에 의해 구현될 수 있다. 헤드 부분은 그에 의해 상이한 고체 동체들에 연결될 수 있다. 따라서 예를 들어 상이한 길이를 가진 복수개의 측정 튜브들이 헤드 부분에 결합될 수 있어서, 오직 하나의 전자 송신 및 수신 수단만이 필요하다. 따라서 상이한 측정 길이들이 하나의 헤드 부분으로 달성될 수 있다. 특히 바람직스러운 실시예의 경우에, 바코드(barcode) 방식의 음향 파동 패턴에 의해 연결된 측정 튜브의 유형을 검출하도록 유닛이 구성된다.
분리된 SAW 송신기 및 수신기 대신에, 공통적인 전기 음향학적 트랜스듀서도 이용될 수 있으며, 이것은 멀티플렉스 모드(multiplex mode)에서 송신기 및 수신기로서 번갈아서 스위치된다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 도면을 이용하여 예시적인 실시예들에 대한 설명 및 도면 자체로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 수위 측정을 위한 측정 튜브를 통한 단면을 도시한다.
도 2 는 측정의 파동 패턴을 도시한다.
도 3 은 수위 측정 장치를 가진 승강 장치(lifting equipment)를 도시한다.
도 4 는 반사 영역들의 구성을 도시한다.
도 1 에서 액체의 수위를 측정하기 위한 장치가 도시되어 있다. 제 1 요소(1)는 송신기로서 이용되고 음향 신호를 발생시킨다. 제 2 요소(2)는 검출기로서 이용되고 반사된 음향 신호를 수신한다. 제 1 및 제 2 요소(1,2) 양쪽은 압전 기재(piezoelectric substrate)를 포함하고, 각각의 경우에 빗살 전극(comb electrode)이 압전 기재 안에 삽입된다. 송신기의 경우에 전기 신호를 음향 신호를 변환하기 위하여 또는 수신기의 경우에 음향 신호를 전기 신호로 변환하기 위하여 이들은 인터디지털 트랜스듀서(IDT=interdigital transducer)를 형성한다.
상기 요소(1,2)들은 고체 동체(3)상에 장착된다. 고체 동체(3)는 실린더형 중공형 동체로서 구현되며, 그것의 저부는 폐쇄되고 상부에서 개방되며 따라서 측정 튜브를 형성한다. 측정 튜브는 도 3 에 도시된 콘테이너(4) 안에 배치된다. 측정 튜브는 알루미늄으로 이루어지고 콘테이너(4) 안에서 수직으로 지향된다.
음향 신호를 반사시키는 영역(5)은 측정 튜브의 내부에 배치된다. 영역(5)은 측정 튜브 안에서 밀링(milling)된 노취(notch)들이다. 도 1 에 도시된 도면에서 각각 서로 간섭하는 다수의 반사가 발생되도록 영역(5)들은 하나가 다른 것의 위에 배되고 상호 평행하다.
도 1 에서 5 개의 반사 영역(5)들이 예로서 도시되어 있으며, 이들중 2 개는 액체의 수위 위에 배치되고 3 개는 액체의 수위 아래에 배치된다. 상부에 있는 2 개 영역들의 반향(echo)은 높은 신호 강도를 나타낸다. 아래에 있는 3 개의 영역들의 반향은 낮은 신호 강도만을 나타내는데, 왜냐하면 튜브 외측에 있는 액체에 의하여 음향 파동이 감쇠되기 때문이다. 비록 SAW 가 측정 튜브의 내측상에서 전파되고 액체가 측정 튜브의 외측을 적시고 있을지라도, 감쇠는 수위를 판단하는데 이용될 수 있을 정도로 현저하다.
도 2 는 상이한 충전 수위에 대한 반사 음향 신호의 파동 패턴들을 도시한다. 충전 수위(fill level)들은 개별적인 파동 패턴의 위의 우측에서 각각 센티미터로 표시되어 있다.
파동 패턴들의 경우에 신호 강도는 신호의 천이 시간(transition time)의 함수로서 각각 플로팅(plotting)된다. 고체 동체(3)상에서 더 아래에 있는 영역들에 의해 반사되는 파동 그룹들은 더 긴 천이 시간들을 가지며, 결국 다이아그램에서 우측으로 더 멀리 위치된다. 고체 동체(3) 상에서 더 위에 있는 영역들에 의해 반사된 파동 그룹들은 짧은 천이 시간을 가지며, 결국 다이아그램에서 좌측으로 더 멀리 위치된다.
신호 강도는 예시적인 실시예에서 mVpp 로 주어지는데, 왜냐하면 검출기는 수신된 음향 신호를 전기 신호로 변환시키고 전기 신호는 피크(peak)로부터 피크로의 밀리볼트로 기록되기 때문이다.
0 cm 의 수위를 가진 상부의 파동 패턴이 기준으로서 이용되는데, 왜냐하면 반사된 파동 그룹들중 어느 것도 액체에 의해 감쇠되지 않기 때문이다. 1 cm 의 액체 수위의 경우에, 멀리 우측에 있는 파동 그룹이 고도로 감쇠됨으로써, 신호 강도가 감소된다. 2 cm 의 수위의 경우에, 2 개의 우측 파동 그룹들이 감쇠되고 4 cm 의 수위의 경우에, 3 개의 우측 파동 그룹들이 감쇠된다.
유닛(6)은 판단된 파동 패턴을 기준 값과 비교함으로써 수위를 판단한다. 유닛(6)은 도 3 에 개략적으로 도시되어 있다. 이것은 컴퓨터, 조절 장치 또는 제어 장치일 수 있다. 유닛(6)은 천이 시간의 함수로서 반사된 신호의 신호 강도를 기록하고 기준 값과의 비교에 의해 수위를 판단하도록 구성된다. 반사된 파동 그룹들이 더 많이 감쇠될수록, 수위가 높아진다. 수위는 감쇠되지 않은 그리고/또는 감쇠된 파동 그룹들의 수를 이용하여 계산될 수 있다.
본 발명의 특히 유리한 실시예의 경우에, 유닛(6)은 수위의 제어 및/또는 조절을 위하여 이용되기도 한다. 도 3 은 유닛(6)이 콘테이너(4)의 내부에 배치된 펌프의 모터(7)에 연결된 것을 도시한다. 예시적인 실시예에서 원심 펌프를 구동하는 전기 모터가 이를 위하여 이용된다. 유닛(6)은 모터(7)의 스위치를 켜고 끈다.
체크 밸브(8)는 펌프의 하류측에 배치된다. 액체가 콘테이너(4) 안으로 유동하는 공급 파이프(9)는 승강 장비의 콘테이너(4)에 연결된다.
측정 튜브로서 구현된 고체 동체(3)는 위에서 설명된 원리에 따라서 수위를 검출한다. 액체 수위의 낮은 한계 값에서 유닛(6)은 모터(7)를 정지시킨다. 액체 수위의 높은 한계 값에서 유닛(6)은 모터(7)를 시동시킴으로써, 액체는 다시 밖으로 펌핑된다.
도 4 는 반사 영역들이 오프셋(offset)되게 배치된 버젼을 도시한다. 분리된 SAW 송신기 및 수신기 대신에, 이러한 경우에 공통의 전기 음향 트랜스듀서(electroacoustic transducer)는 멀티플렉스 모드(multiplex mode)에서 송신기 및 수신기로서 번갈아 스위치되는 요소(1,2)로서 이용된다. 고체 동체(3)는 1 mm 의 두께를 가진 알루미늄의 플레이트이다. 플레이트는 튜브로 말릴 수 있다. 이러한 경우에 요소(1,2)는 튜브의 내측에 배치된다. IDT 가 고체 동체상으로 접착되고 로브(lobe)들로 이루어진 방사 특성을 가지는데, 이것은 점선으로 도시되어 있으며 대략 30°의 각도를 가진다. 영역(5)들은 음향 신호의 전파 방향에 대하여 서로로부터 측방향으로 오프셋되게 배치됨으로써, 송신된 파동 그룹은 각각의 영역(5)에 직접적으로 도달한다. 이것은 다수의 반사가 발생하지 않으면서 반향(echo)들이 직접적으로 IDT 로 되돌아가는 것을 보장한다.
1.2. 요소 3. 고체 동체
4. 콘테이너 5. 영역

Claims (15)

  1. 음향 신호를 송신 및/또는 수신하는 적어도 하나의 요소(1,2)로써 콘테이너(4) 안의 액체 수위를 판단하는 장치로서,
    고체 동체(3) 표면의 적어도 일부가 액체에 의해 적셔질 수 있도록 배치된 고체 동체(3)의 표면을 따라서 음향 신호들이 전파되고, 고체 동체(3)는 상기 음향 신호를 반사시키는 상이한 콘테이너 높이들에서의 영역(5)들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    요소(1,2)들중 적어도 하나는 천이 시간(transition time)에 따라서 반사된 신호들의 신호 강도를 검출하도록 구성된 유닛(6)에 연결되며, 상기 유닛은 기준값과의 비교에 의하여 수위를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    고체 동체(3)는 콘테이너(4)의 내부에 배치된 구성 요소로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구성 요소는 중공형 동체로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중공형 동체는 액체가 상기 중공형 동체 안으로 침투하는 것을 방지하는 저부에 의하여 폐쇄되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영역(5)들은 고체 동체(3)의 표면에 있는 함몰부(depression)의 형태인 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영역(5)들은 고체 동체(3) 표면의 상승부(elevation)들의 형태인 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영역(5)들은 음향 신호들의 전파 방향에 대하여 서로 측방향으로 오프셋(offset)되게 배치되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    요소(1,2)들중 적어도 하나는 고체 동체(3)의 표면상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    요소(1,2)들중 적어도 하나는 상기 고체 동체(3)에 음향학적으로 결합될 수 있는 헤드 부분의 표면상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 장치.
  11. 특히 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 액체 수위 판단 장치에 의한 콘테이너(4) 안의 액체 수위 판단 방법으로서,
    음향 신호를 발생시키는 단계;
    고체 동체(3)의 표면을 따라서 신호를 전파시키는 단계;
    상이한 콘테이너 높이들에 배치된, 고체 동체(3)의 영역(5)들에서 신호들을 적어도 부분적으로 반사시키는 단계; 및,
    반사된 신호들의 검출 단계;를 포함하는, 액체 수위 판단 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    반사된 신호들의 천이 시간(transition time)들이 판단되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    반사된 신호들의 신호 강도들이 판단되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 방법.
  14. 제 12 항 및 제 13 항에 있어서,
    반사된 신호들의 신호 강도들은 천이 시간들의 함수로서 기록되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    수위는 기준값들과의 비교에 의하여 판단되는 것을 특징으로 하는, 액체 수위 판단 방법.
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