KR20150114215A

KR20150114215A - 유체 내의 수분 함유량 측정 기기

Info

Publication number: KR20150114215A
Application number: KR1020140038528A
Authority: KR
Inventors: 성수경
Original assignee: (주) 해리아나
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-12

Abstract

본 발명은 정전 용량을 사용하여 오일과 같은 유체 내의 수분 함유량을 측정하기 위한 측정 기기를 제공한다. 이 측정 기기는 정전 용량 센서(30) 및 신호 처리 유닛(20)를 구비하는데, 신호 처리 유닛(20)은 신호 발생부(510), 인터페이스 회로(520), ADC(530), MCU(550), 통신 채널(590) 및 구동부(570)를 구비하여, 오일 내에 포함된 수분 함유량을 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.

Description

유체 내의 수분 함유량 측정 기기{DEVICE OF MEASURING WATER CONTENT IN FLUID}

본 발명은 오일 등의 유체 내에 포함된 수분 함유량을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 선박 엔진에 공급되는 오일의 배관에 설치되어 오일 내의 수분 함유량을 측정하고 수분 함유량이 허용치 이상일 경우 해당 오일의 공급을 정지시킬 수 있는 오일 내 수분 함유량 측정 기기에 관한 것이다.

일반적으로 선박 엔진으로 사용되는 디젤엔진은 연소실내로 분사된 연료와 공기의 혼합기가 높은 압축열에 의하여 자연착화되도록 하는 기관으로 자연 착화에 의해 시동되기 때문에 고온이 발생하게 되고, 이로 인해 적절한 엔진 냉각이 필요하게 된다. 따라서 엔진시동과 동시에 피스톤 냉각 파이프를 통해 냉각오일이 이송되고, 엔진 내부 곳곳에 엔진 오일을 분사하여 기관을 적당한 온도로 냉각시킨다.

이와 관련하여 대한민국 공개실용신안공보 공개번호 제20-2008-0000862호 "선박엔진용 피스톤 냉각오일 흐름감지장치"는 피스톤 냉각오일 파이프에 소형탱크와 감지센서 및 온도게이지를 직접연결설치하여, 설치작업시간을 단축하고, 오일의 온도, 흐름을 정확하게 측정하여 엔진상태를 신속하게 감지할 수 있는 선박엔진용 피스톤 냉각오일 흐름감지장치를 제안하고 있다. 이와 같은 선박엔진용 피스톤 냉각오일 흐름감지장치는 피스톤 냉각오일 파이프의 하부 끝단에 일체형으로 연결 설치되는 소형탱크와, 상기 소형탱크내에 위치하도록 설치되어 오일온도 및 오일흐름을 감지하고 엔진외측에 위치하는 터미널단자 및 디스플레이부와 케이블에 의해 연결되는 복합센서와, 상기 소형탱크 상부에 위치하도록 피스톤 냉각오일 파이프의 하부 끝단내에 설치되는 기계식 온도 측정부를 포함하도록 구성된다.

그러나 이와 같은 종래기술은 개별적으로 구비된 온도센서와 유체 흐름 감지센서로 인해 공간을 많이 차지했을 뿐만 아니라, 설치구조가 복잡하고 각 센서의 고장 발생시 분해/결합하기 위해 많은 시간이 낭비되는 문제점이 있었다. 또한, 각각 분리된 온도센서와 유체 흐름 감지센서로 인해 사용자가 빠른 식별을 하기가 어려워 안전사고가 발생될 수 있는 또 다른 문제점이 있었다.

이에 본 출원인은 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0104235호 "선박엔진용 피스톤 냉각오일의 상태 감지회로 및 장치"를 통해 24v의 전압이 출력되는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 출력된 전압을 일정한 전압으로 변화 및 유지시키는 정전압부와, 상기 정전압부에서 입력된 전압으로 구동되는 PT100센서(121)를 이용해 저항값이 검출되며, 선 저항 및 거리에 따른 저항의 변화값을 보상해 주기 위해 휘스톤(wheatstone) 브릿지(bridge) 방식을 이용하되, 상기 저항의 변화값을 연산증폭기를 통해 증폭시켜 받아들이는 온도감지부와, 상기 온도감지부를 통한 전압값의 변화값이 컨버터(convertor)를 통해 디지털화되어 온도표시창으로 출력되는 온도변환부와, 상기 전원입력부에서 입력된 전압으로 플로센서(flow sensor)가 구동되며 유체흐름의 유무가 유체흐름표시램프에 점등되는 유체감지부가 구성된 구조로 이루어지는 피스톤 냉각오일의 흐름 및 온도를 감지하는 회로 및 장치를 제안한 바 있다.

이와 같은 선박엔진용 피스톤 냉각오일의 상태 감지회로 및 장치는 PT100센서와 플로센서가 하우징 내측면에 돌출됨으로써, 공간효율이 향상되고 설치구조가 편리해 고장 발생시 분해 결합이 용이하며, 온도표시창과 유체흐름표시램프가 몸체 상면에 각각 디지털화되어 표시됨으로써 PT100센서와 플로센서에서 측정된 값을 사용자게 빠르게 인지 후 제어할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

한편, 공급되는 오일의 성질은 해당 오일의 수분 함유량에 따라 많이 달라진다. 예를 들어, 엔진 냉각용 오일의 경우 수분 함유량 높을수록 냉각 효율이 감소한다. 또한, 엔진 부품 간 마모를 방지하기 위한 오일의 경우에도 수분 함유량이 낮을수록 마모 방지 효과가 향상된다. 특히, 냉각용 오일의 경우 수분 함유량이 허용치를 벗어나는 오일을 사용할 경우, 공급되는 오일의 양이 아무리 많더라도 해당 오일의 냉각 효과는 기대치에 미달하게 되므로, 결과적으로 엔진을 충분히 냉각시키지 못해 대형 화재가 발생되거나 엔진의 효율이 떨어질 위험성이 존재한다.

그러므로, 공급되는 오일 내에 포함된 수분의 함유량을 정밀하게 측정하고, 수분 함유량이 허용치를 벗어날 경우 이를 경고하거나 오일이 공급되는 장치의 동작을 긴급 정지시키기 위한 기술이 절실히 요구된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 오일 내에 포함된 수분 함유량을 정밀하게 측정할 수 있는 수분 함유량 측정 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 오일의 정전 용량을 측정하기 위한 전극의 형상 및 배치를 최적화함으로써 검출된 수분 함유량의 정밀도를 높이기 위한 수분 함유량 측정 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 유체 내의 수분 함유량을 상기 유체의 정전용량을 사용하여 측정하기 위한 측정 기기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 유체 내 수분 함유량 측정 기기는 상기 유체의 정전 용량을 측정하는 정전 용량 센서(30); 및 상기 정전 용량 센서(30)에서 출력되는 센서 신호를 처리하여 상기 유체의 정전 용량을 결정하고, 결정된 정전 용량에 기초하여 상기 유체 내의 수분 함유량을 측정하는 신호 처리 유닛(20)을 포함하되; 상기 신호 처리 유닛(20)은 상기 정전 용량 센서(30)에 교류 신호를 인가하는 신호 발생부(510)와, 상기 정전 용량 센서(30)로부터 측정되는 정전 용량을 수신하여 수신된 센서 신호로부터 잡음을 제거하고, 저역 통과 필터링을 수행하여 고주파 성분을 제거하는 인터페이스 회로(520)와, 상기 인터페이스 회로(520)로부터 수신된 전처리 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(530)와, 상기 ADC(530)로부터 수신한 신호를 분석하여 정전 용량을 결정하고, 결정된 정전 용량에 기초하여 상기 유체 내의 수분 함유량을 측정하는 MCU(550)와, 상기 MCU(550)를 통해 결정된 정전 용량값을 외부로 송신하는 통신 채널(590) 및, 상기 정전 용량 센서(30), 신호 발생부(510), 인터페이스 회로(520), ADC(530), MCU(550) 및 통신 채널(590)에 전원을 공급하는 구동부(570)를 구비한다.

이와 같은 본 발명에 따른 유체 내의 수분 함유량 측정 기기는 상기 유체의 현재 온도를 측정하는 온도 센서(40)를 더 포함하고, 상기 MCU(550)는 상기 온도 센서(40)에 의하여 측정된 상기 유체의 온도를 고려하여 측정된 수분 함유량을 보정할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 유체 내의 수분 함유량 측정 기기는 상기 MCU(550)는 상기 정전 용량 센서(30)의 전극 간의 저항값을 고려하여 수분함량을 보상할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 유체 내의 수분 함유량 측정 기기는 상기 MCU(550)로부터 상기 유체 내의 수분 함유량을 수신하고, 수신된 수분 함유량이 허용 범위를 벗어날 경우 이를 경고하며 상기 유체의 공급을 중단하도록 외부 장치를 제어하는 콘트롤 박스(600)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하여, 오일 내에 포함된 수분 함유량을 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.

또한, 교체가능한 센서 프로브를 사용하여 종래에 사용하는 헤드에 정전 용량 측정 센서를 용이하게 설치될 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 유체 내의 수분 함유량을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하여 유체가 통과하는 관통홀을 원형의 어레이 형상으로 성형하기 때문에 정전 용량 측정용 전극의 단면적을 크게 하면서 전극 간의 간격이 감소되어 상대적으로 작은 크기를 가진 센서를 사용하여 오일 내의 수분 함유량을 정밀하게 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기술 사상에 따른 유체 내 수분 함유량을 측정하기 위한 기기를 설명하기 위한 블록 다이어그램;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량을 측정하기 위한 기기의 센서 모듈을 설명하기 위한 블록 다이어그램;
도 3은 도 2에서 보인 센서 모듈이 적용되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기를 설명하기 위한 도면;
도 4는 도 3에서 보인 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 콘트롤 박스를 개념적으로 나타내는 블록 다이어그램;
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량을 측정하기 위한 기기의 센서 모듈을 설명하기 위한 블록 다이어그램;
도 6은 도 5에서 보인 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 센서 모듈을 개략적으로 도시하는 도면;
도 7은 도 6에 도시된 유체 내 수분 함유량 측정 기기에서 센서 헤드에 결합되는 경통의 형상을 개략적으로 도시하는 도면;
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 설치형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 1은 본 발명의 기술 사상에 따른 유체 내 수분 함유량을 측정하기 위한 기기를 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유체의 정전용량을 사용하여 유체 내의 수분 함유량을 측정하기 위한 측정 기기(10)는 정전 용량 센서(30) 및 신호 처리 유닛(20)를 구비하는데, 신호 처리 유닛(20)은 신호 발생부(510), 인터페이스 회로(520), ADC(530), MCU(550), 통신 채널(590) 및 구동부(570)를 구비하여, 오일 내에 포함된 수분 함유량을 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.

이때, 정전 용량 센서(30)는 유체의 정전 용량을 측정한다. 신호 처리 유닛(20)은 정전 용량 센서(30)에서 출력되는 센서 신호를 처리하여 유체의 정전 용량을 결정하고, 결정된 정전 용량에 기초하여 유체 내의 수분 함유량을 측정한다.

그리고, 신호 처리 유닛(20)의 신호 발생부(510)는 정전 용량 센서(30)에 교류 신호를 인가한다. 인터페이스 회로(520)는 정전 용량 센서(30)로부터 측정되는 정전 용량을 수신하여 수신된 센서 신호로부터 잡음을 제거하고, 저역 통과 필터링을 수행하여 고주파 성분을 제거한다. ADC(530)는 인터페이스 회로(520)로부터 수신된 전처리 신호를 디지털 신호로 변환한다. MCU(550)는 ADC(530)로부터 수신한 신호를 분석하여 정전 용량을 결정하고, 결정된 정전 용량에 기초하여 유체 내의 수분 함유량을 측정한다. 통신 채널(590)은 MCU(550)를 통해 결정된 정전 용량값을 외부로 송신한다. 구동부(570)는 정전 용량 센서(30), 신호 발생부(510), 인터페이스 회로(520), ADC(530), MCU(550) 및 통신 채널(590)에 전원을 공급한다.

다시, 도 1을 참조하면, 신호 처리 유닛(500)은 신호 발생부(510), 인터페이스회로(520), ADC(530), MCU(550), 구동부(570) 및 통신 채널(590)을 포함한다.

구동부(570)는 신호 처리 유닛(500)의 각 구성 요소 및 온도 센서(40) 및 정전 용량 센서(30)에 전원을 공급한다. 도 1에서, 실선은 구성 요소들 간의 신호 또는 정보의 흐름을 나타내고, 점선은 전력의 공급을 나타낸다.

오일의 정전 용량을 측정하기 위해서는 측정 신호가 있어야 하며, 측정 신호는 신호 발생부(510)에 의하여 생성된다. 즉, 신호 발생부(510)는 정전 용량 센서(30)에 교류 신호를 인가하는 회로이다. 교류 신호로서, 정현파, 구형파, 삼각파 등이 사용된다. 교류 신호의 주파수로서, 장파대 또는 중파대의 주파수가 적절하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 50kHz∼1MHz 정도, 예를 들면, 57kHz, 400kHz, 또는 이들 부근의 주파수, 그 밖의 주파수가 사용될 수 있다.

측정 신호가 공급되면, 정전 용량 센서(30)는 음극 및 양극 전극 양단 간의 정전 용량을 측정하여 인터페이스 회로(520)로 제공한다. 인터페이스 회로(520)는 수신된 아날로그 신호를 처리하기 적절한 신호로 전처리한다. 즉, 인터페이스 회로(520)는 수신된 센서 신호로부터 잡음을 제거하고, 저역 통과 필터링을 수행하여 고주파 성분을 제거한다. 또한, 인터페이스 회로(520)는 저역 통과 필터링된 신호를 증폭하여 ADC(530)로 공급한다.

ADC(530)는 인터페이스 회로(520)로부터 수신된 전처리 신호를 디지털 신호로 변환하여 MCU(550)로 공급한다. 그러면, MCU(550)는 ADC(530)로부터 수신한 신호를 분석하여 정전 용량을 결정한다. 이때, MCU(550)는 온도 센서(40)로부터 수신된 오일의 현재 온도를 참고하여 결정된 정전 용량값을 보상할 수 있다.

온도가 보상된 정전 용량값이 결정되면, 정전 용량값은 통신 채널(590)을 통하여 콘트롤 박스로 전송된다. 이때 장치의 동작 상황에 따라서 다양한 통신 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들어 RS232, RS422, RS485, CAN 등의 통신 방법이 사용될 수 있다.

MCU(550)는 정전 용량값으로부터 수분 함유량을 계산하기 위하여 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 정전 용량값의 변화량이 수분 함유량과 선형 관계를 가진다는 것을 가정하여 단순 수식을 사용하여 수분 함유량을 계산할 수도 있다. 또는, MCU(550)는 오일의 종류, 오일의 온도, 전극의 형상 및 수분 함유량의 관계에 대한 정밀한 실험치를 포함하는 룩업테이블을 참조하여 수분 함유량을 결정할 수도 있다. 또한, 도 5에서 보인 본 발명의 바람직한 실시예에서 MCU(550)는 전극봉(32) 및 경통(50) 간의 저항값을 고려하여 수분 함유량을 보상할 수 있다. 예를 들어, 전극봉(32) 및 경통(50) 간의 저항값은 수분 함량이 높아질수록 감소한다. 일반적으로, 전극봉(32) 및 경통(50) 간의 저항값은 수백 MΩ이지만, 수분 함량이 많아지면 저항값은 수십분의 1로 감소될 수 있다. 그러므로, 정전 용량 뿐만 아니라 전극 간의 저항 값도 수분 함량을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 바람직하게는, MCU(550)는 정전 용량 및 저항값 모두를 고려하여 수분 함량을 결정함으로써 결정된 수분 함량의 신뢰도가 향상된다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량을 측정하기 위한 기기의 센서 모듈을 설명하기 위한 블록 다이어그램이고, 도 3은 도 2에서 보인 센서 모듈이 적용되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12), 센서 케이싱(14), 신호 처리 유닛(20), 정전 용량 센서(30), 온도센서(40)를 구비하여 오일이 흐르는 파이프 또는 배관(1)에 설치되어 오일의 수분 함유량을 측정할 수 있도록 한다.

이와 같은 본 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 하나의 바 형태(봉체)로 형성되는 센서 케이싱(14)의 내부 공간에 온도 센서(20)와 정전용량 센서(30)를 함께 내장시켜 이루어진다.

좀 더 구체적으로 보면, 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)에서 헤드(12)는 배관(1)의 외부에 결합된다. 센서 케이싱(14)은 헤드(12)의 하측에 설치되되 헤드(12) 방향으로 개구되는 하나의 내부 공간을 갖고, 배관(1)의 내부로 장입되어 위치된다. 이와 같은 헤드(12)와 센서 케이싱(14)은 다양한 결합관계를 가질 수 있을 것이다.

본 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)에서 온도 센서(20)와 정전용량 센서(30)는 센서 케이싱(14)의 내부 공간에 설치되고, 신호 처리 유니트(20)와 접속된다.

도 4는 도 3에서 보인 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 콘트롤 박스를 개념적으로 나타내는 블록 다이어그램이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12)의 하측으로 하나의 봉체가 결합된 구조를 갖는다. 이때, 전술한 바와 같이, 하측의 봉체는 센서 케이싱(14)으로서 온도 센서(20)와 정전용량 센서(30)가 함께 내장된다. 그리고, 본 실시예에서 정전용량 센서(30)를 위해 센서 케이싱(14)은 고정 나사부(12c)가 형성되어 배관에 결합되는 구조를 갖는다.

도 4의 콘트롤 박스(600)는 전력 공급부(610), 통신 채널(630), MCU(650), 디스플레이 유닛(670), 및 출력부(690)를 포함한다.

통신 채널(630)은 신호 처리 유니트(20)의 통신 채널(590; 도 1 참조)로부터 신호를 수신한다. 전력 공급부(610)는 통신 채널(630), 디스플레이 유닛(670), MCU(650) 및 출력부(690의 동작에 필요한 전력을 공급한다. 도 4에서 실선은 구성 요소들 간의 신호 또는 정보의 흐름을 나타내고, 점선은 전력의 공급을 나타낸다.

통신 채널(630)에 의하여 수신된 신호를 MCU(650)로 공급된다. 그러면, MCU(650)는 수신된 신호를 바탕으로 디스플레이 유닛(670)에 측정 결과를 표시한다. 예를 들어, 표시되는 결과는 오일 내 수분 함량일 수 있다. 또한, 디스플레이 유닛(670)은 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 각종 설정을 제어하기 위한 제어판을 출력할 수도 있다. 또한, MCU(650)는 출력부(690)를 제어하여 다양한 외부 장치로 신호를 출력한다. 도시된 바와 같이, 출력부(690)는 외부 장치에서 요구하는 바에 맞춰서 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부(690)는 외부 장치가 전류를 신호로서 요청하는 경우에는 전류를 출력할 수 있고, 릴레이를 제어하기 위한 릴레이 신호를 요청하는 경우에는 드라이 콘택 출력을 제공할 수 있다. 출력부(690)가 드라이 콘택 신호를 출력하면, 외부 장치인 릴레이가 이에 따라 직접적으로 구동될 수 있다. 또한, 외부 장치가 스톱 밸브인 경우에는 스톱 밸브는 드라이 콘택 신호에 의하여 직접적으로 구동되어 배관 내의 유체 흐름을 차단시킬 수 있다. 또한, 출력부(690)는 외부 장치가 통신 장치인 경우 해당 통신 장치와의 통신 신호로서 신호를 출력할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량을 측정하기 위한 기기의 센서 모듈을 설명하기 위한 블록 다이어그램이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12), 센서 케이싱(14), 신호 처리 유닛(20), 정전 용량 센서(30), 온도센서(40) 및 경통(50)을 구비하여 오일이 흐르는 파이프 또는 배관(1)에 설치되어 오일의 수분 함유량을 측정할 수 있도록 한다.

좀 더 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 센서 케이싱(14)의 둘레로 정해진 간격(d)을 갖도록 고정설치되는 경통(50)에 의해 센서 케이싱(14) 내에 설치되는 전극봉(32)의 양극(+)과 경통(50)의 음극(-) 간 거리가 항시 일정하게 유지된다. 그러므로 배관(1)의 크기가 달라지는 경우 센서 케이싱(14) 내에 설치되는 전극봉(32)과의 거리가 변함으로써 발생되는 정전 용량값의 변화를 효과적으로 방지할 수 있어 오일 흐름에 대한 더욱 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

정전 용량은 여러 가지 성질에 의하여 변경되며, 그 중 하나의 요인으로 유체의 온도가 있다. 즉, 유체의 온도가 높아질수록 정전 용량은 감소한다. 그러므로, 온도 센서(40)에 의하여 측정된 유체의 온도는 정전 용량 센서(30)에 의하여 측정된 정전 용량을 더욱 정밀하게 보정하기 위하여 사용될 수 있다.

이 경우, 센서 케이싱(14)의 내부 공간에 온도 센서(40)와 정전 용량 센서(30)가 함께 내장되기 때문에 구조가 간단하여 제조 및 유지보수가 편리하고, 하나의 봉체에 온도 센서(20)와 정전 용량 센서(30)가 내장되므로, 정전 용량 센서(30)의 전극봉(32)을 위한 공간을 보다 넓게 확보할 수 있어 상대적으로 큰 정전 용량을 얻을 수 있도록 하는 특징을 갖는다.

물론, 본 발명의 바람직한 실시예는 센서 케이싱(14)이 하나의 바 형태로 형성되는 일례만을 보였지만, 본 발명은 다양한 센서 케이싱(14) 및 정전 용량 센서(30) 와 온도 센서(40)의 배치에도 역시 적용될 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)에서 헤드(12)는 배관(1)에 결합되고, 센서 케이싱(14)은 헤드(12)의 하측에 설치되고 배관(1)의 내부로 장입되어 위치된다. 신호 처리 유닛(20)은 헤드(12) 내에 설치되어 센서로부터의 신호를 처리하여 유체 내의 수분 함유량을 측정한다. 온도 센서(40)도 역시 센서 케이싱(14) 내에 설치되고, 신호 처리 유닛(20)으로 오일의 온도값을 전송한다. 정전 용량 센서(30)는 센서 케이싱(14) 내에서 하측 둘레로 설치되는 전극봉(32)을 갖고, 신호 처리 유닛(20)과 접속되어 정전 용량 방식으로 배관(1)에 흐르는 오일의 흐름이 검출되도록 한다. 그리고, 경통(50)은 센서 케이싱(14)의 하측에서 외측 둘레로 일정한 간격(d)을 갖도록 이격되어 설치된다.

이와 같은 본 발명에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 센서 케이싱(14)내의 전극봉(32)이 양극(+)을 갖도록 하고, 상기 경통(50)이 음극(-)을 갖도록 함으로써, 전극간 거리가 일정하게 유지되기 때문에 정전 용량을 정밀하게 측정할 수 있다.

설명의 편의를 위하여 정전 용량 측정 공식을 소개하면 다음 수학식 1과 같다.

수학식 1에서, ε, ε0, 및 εr은 각각 유전율, 공기의 유전율 및 유전체의 비유전율을 나타내고, A는 전극의 대향면적이며, d는 전극간 이격거리를 나타낸다.

수학식 1로부터, 정전 용량은 전극의 구조와 전극 내부의 유전체의 유전율에 결정되는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예의 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 테프론 재질의 센서 케이싱(14)로 싸여 있는 전극봉(32)과 필드 그라운드 사이에서의 유전율의 변화에 따라 정전 용량을 검출한다. 즉, 수학식 1에서 유체의 수분 함유량에 따라서 ε 및 εr이 변동하기 때문에 결과적으로 정전 용량이 상이하게 측정된다. 이때, 전체적인 정전 용량의 크기가 커지면 커질수록 온도에 변화에 따른 유전체(오일)의 비유전율의 변화량은 적어지며, 정전 용량의 크기가 작으면 온도의 영향을 커진다. 따라서, 검출 데이터의 정밀도를 증가시키기 위해서는 전극의 단면적을 증가시키는 것이 바람직하다.

또한, 수학식 1에서 유전율(ε)은 매질의 종류, 양극(+), 음극(-)의 양전극 사이의 매질량과 매질의 온도에 따라 달라진다. 그런데, 본 발명에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 센서 케이싱(14)의 둘레로 정해진 간격(d)을 갖도록 고정설치되는 경통(50)에 의해 센서 케이싱(14) 내에 설치되는 전극봉(32)의 양극(+)과 경통(50)의 음극(-) 간 거리가 항시 일정하게 유지되므로, 정전 용량값의 변화를 효과적으로 방지할 수 있어 오일 흐름에 대한 더욱 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한다.

도 6은 도 5에서 보인 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 센서 모듈을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12)의 하측에 센서 케이싱(14) 및 경통(50)이 탈부착되는 구조를 가진다. 즉, 헤드(12)에는 다양한 형상을 가진 센서 프로브가 부착될 수 있으므로 하나의 헤드(12)를 사용하여 여러 물리량을 측정할 수 있다. 또한, 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12), 센서 케이싱(14), 신호 처리 유닛(도 5의 20), 정전 용량 센서(30), 온도 센서(도 5의 40), 및 경통(50)을 구비하며, 오일 배관에 설치되어 오일의 수분 함유량을 측정한다.

좀 더 구체적으로 보면, 헤드(12)는 오일 배관의 외부에 결합된다. 이와 같은 헤드(12)는 내부에 회로기판으로 이루어지는 신호 처리 유닛(20)을 내장하기 위한 구조를 갖는데, 뚜껑(12b)을 갖도록 하여 결합 및 분리가 가능하도록 한다. 그리고, 헤드(12)는 하측으로 센서 케이싱(14)이 결합가능하도록 연장되고, 추후 배관에 결합되는 고정 나사부(12c)가 형성되며, 결합분리시 공구가 결합되는 공구 결합부(12a)가 형성된다. 공구 결합부(12a) 및 고정 나사부(12c)는 하나의 어댑터에 통합될 수도 있다. 헤드(12)는 센서 케이싱(14)의 내부 공간과 연통되는 하부 내측 둘레로 암나사가 형성되고, 외측 둘레로 수나사가 형성되며, 뚜껑(12b)으로 디스플레이와 케이블의 연결을 위한 케이블 그랜드(12d)가 결합된다. 물론, 이와 같은 헤드(12)의 구조는 측정 기기의 필요에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있을 것이다.

센서 케이싱(14)은 헤드(12)의 하측에 결합되되, 상부 외측 둘레로 헤드(12)의 암나사와 결합되는 수나사가 형성되어 헤드(12)에 고정된다. 이와 같이, 본 발명에 의한 수분 함유량 측정 기기(10)에서는 센서 프로브가 교체가능하기 때문에 종래에 사용하는 헤드에 정전 용량 측정 센서만을 교체함으로써 저렴한 비용으로 유체 내의 수분 함유량을 측정할 수 있다. 센서 케이싱(14)은 헤드(12) 방향으로 개구되는 하나의 내부 공간을 갖고, 오일 배관의 내부로 장입되어 위치된다. 그리고, 센서 케이싱(14)의 내부 공간은 헤드(12) 방향으로 입구가 형성되고, 상측에 형성된 수나사를 통해 경통(50)이 결합되도록 한다. 센서 케이싱(14) 내에는 온도 센서(40)와 정전 용량 센서(30)가 함께 내장된다. 하지만, 이러한 구조는 예시적인 것이며, 경통(50) 및 센서 케이싱(14)이 일체화되어 헤드(12)에 결합되는 것도 역시 가능하다는 점에 주의한다.

도 6에 도시되는 바와 같이, 경통(50)은 알루미늄 재질로 형성되어 센서 케이싱(14)의 하측에서 외측 둘레로 일정한 간격(d)을 갖도록 이격되어 설치된다. 본 실시예에서 경통(50)은 헤드(12) 방향으로 개구되는 중공을 갖되, 중공의 상부내측 둘레로 헤드(12)의 수나사와 결합되는 암나사가 형성되어 헤드(12)에 고정될 수 있다. 이 때, 경통(50)은 중공의 내경이 센서 케이싱(14)의 외경보다 크게 형성되도록 하여 센서 케이싱(14)의 외측 둘레로 일정한 간격(d; 도 5 참조)이 형성되도록 한다. 그리고, 경통(50)에는 관통홀(58)이 형성되어 오일(유체)이 경통(50) 내에 자유롭게 흐르도록 한다.

도 7은 도 6에 도시된 유체 내 수분 함유량 측정 기기에서 센서 헤드에 결합되는 경통의 형상을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 경통(50)은 헤드가 결합되는 상측(56)에 형성된 나사홈에 의하여 헤드에 결합된다. 경통(50)은 센서 케이싱을 감싸도록 결합되며, 원형 형상의 관통홀(58)이 형성되어 유체가 경통(50)을 관통하여 흐르도록 한다.

이때, 관통홀(58)은 여러 개의 원형 홀의 어레이로 구성된다. 즉, 원형 홀의 어레이는 경통(50)의 길이 방향과 나란하며 서로 평행하도록 형성되며, 각 어레이는 여러 개의 원형 홀들로 이루어진다. 도시된 실시예에서, 경통(50)은 원형 홀의 네 개의 어레이를 포함하며, 각 어레이는 서로 동일 간격으로 이격된다. 즉, 도 7에서 원형 홀의 어레이는 서로 90도의 각도를 가지도록 대칭적으로 형성된다. 원형 홀의 어레이를 사용하여 관통홀(58)을 형성할 경우 경통(50)을 통과하는 유체의 흐름을 촉진하면서도 경통(50)의 표면적을 증가시킬 수 있다. 전술된 바와 같이 경통(50)의 표면적이 증가할수록 수학식 1에 의하여 측정되는 정전 용량의 크기가 커지므로 온도 등의 외부 요인에 의한 측정치의 민감도를 감소시킬 수 있다. 그러므로 유체 내 수분 함유량 측정 기기에 의하여 측정되는 정전 용량이 정확해지는 장점을 가진다.

또한, 정전 용량 측정용 전극의 단면적을 크게 하면서 전극 간의 간격이 감소되어 상대적으로 작은 크기를 가진 센서를 사용하여 오일 내의 수분 함유량을 정밀하게 측정할 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 센서 케이싱(14)은 내부에 정전 용량 센서와 온도 센서가 설치되는 구조를 갖게 된다. 즉, 본 실시예에서 정전 용량 센서는 상하방향으로 관통되는 중공이 형성되고, 외주면이 센서 케이싱(14)의 내면에 밀착되도록 센서 케이싱(14)의 내부 공간으로 삽입되어 결합되는 전극봉을 갖는다. 이 전극봉은 신호 처리 유닛인 회로기판과 접속되고, 도 1의 인터페이스 회로로 접속된다.

본 실시예에서 온도 센서는 측온저항체소자(RTD)를 사용한 온도 센서로서 센서 케이싱의 바닥면으로 설치되고, 센서 와이어를 통해, 도 1의 인터페이스 회로로 접속된다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기의 설치형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 바람 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12)의 하측으로 하나의 봉체가 결합된 구조를 갖는다. 이때, 전술한 바와 같이, 하측의 봉체는 센서 케이싱(14)으로서 온도 센서와 정전 용량 센서가 함께 내장된다.

이때, 본 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기(10)는 헤드(12)의 하측에 형성된 고정 나사부(12c)를 통해 오일 배관에 결합된다. 고정 나사부(12c)는 오일 배관에 먼저 결합되는 고정링(80)에 결합될 수도 있다. 배관 내에서 경통(50)의 앞측에는 센서 루프(90)를 설치하여 오일의 흐름에 의한 영향을 줄일 수도 있다.

경통(50)은 배관(1) 내의 오일 흐름에 대해 수직이 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 경통(50)이 오일 흐름에 수직일수록 경통(50)을 통과하는 오일의 양이 증가하기 때문에 측정되는 정전 용량 값이 증가하기 때문이다. 전술된 바와 같이, 경통(50)에는 관통홀이 형성되어 유체가 경통(50)을 쉽게 관통하여 흐를 수 있다.

수분 함유량 측정 기기(10)를 배관(1)에 설치하기 위하여 다음과 같은 설치 프로시저가 채택될 수 있다.

1. 배관(1)에는 유량 스톱 밸브가 설치되어 있어야 하며, 센서 모듈을 설치하기 전에 스톱 밸브를 잠근다.

2. 센서 모듈 설치용 배관(1) 접지되어 있는지 확인한다.

3. 장치의 안정적 설치를 위하여 센서 모듈 설치용 배관(1) 내부의 압력이 5 bar 이하인지 확인한다.

4. 센서 프로브의 견실성을 확인한다. 예를 들어, 센서 프로브가 파손되었거나 오염이 있는지, 또는 센서 프로브가 구부러져 있는지 여부를 확인한다. 센서 프로브가 오염되었다면 깨끗하게 제거한다.

5. 센서 모듈에서 케이블 조립체를 분리하고, 나사부위에 테프론 절연 테이프를 10바퀴 감는다.

6. 센서 모듈을 손으로 잡고 배관(1)의 센서 설치홈에 센서부를 삽입한 후 나사부를 스페너를 사용하여 시계방향으로 돌려 완전히 잠근다. 이 과정에서 프로브가 손상되지 않도록 주의하고, 센서모듈 몸체를 손으로 잡고 돌려서 체결하지 않도록 한다.

7. 센서 모듈 설치 후에 센서 모듈이 배관과 90˚±5˚의 각도를 유지하는지 확인한다.

8. 센서 모듈 설치 후 센서 프로브 및 배관(1) 사이에 간섭이 일어나는지 확인하고, 프로브 전체가 오일에 완전히 잠기는지 확인한다.

9. 센서 모듈에 케이블 조립체를 연결한다.

이러한 프로시져는 수분 함유량 측정 기기(10)를 이용하여 측정되는 정전 용량의 정밀도를 향상시키기 위하여 준수되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 내 수분 함유량 측정 기기를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 도 3 에 도시된 센서 케이싱(14) 및 경통(50)의 구성은 한정적인 것이 아님은 물론이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 그리고, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

따라서, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

10 : 유체 내 수분 함유량 측정 기기
1 : 배관 12 : 헤드
14 : 센서 케이싱 20 : 신호 처리 유닛
30 : 정전용량 센서 40 : 온도 센서
50 : 경통 510 : 신호 발생부
520 : 인터페이스 회로 530 : ADC
550 : MCU 570 : 구동부
590 : 통신 채널
d : (센서 케이싱 외주면과 경통 내주면 사이의) 간격

Claims

유체 내의 수분 함유량을 상기 유체의 정전용량을 사용하여 측정하기 위한 측정 기기에 있어서,
상기 유체의 정전 용량을 측정하는 정전 용량 센서(30); 및
상기 정전 용량 센서(30)에서 출력되는 센서 신호를 처리하여 상기 유체의 정전 용량을 결정하고, 결정된 정전 용량에 기초하여 상기 유체 내의 수분 함유량을 측정하는 신호 처리 유닛(20)을 포함하되;
상기 신호 처리 유닛(20)은 상기 정전 용량 센서(30)에 교류 신호를 인가하는 신호 발생부(510)와,
상기 정전 용량 센서(30)로부터 측정되는 정전 용량을 수신하여 수신된 센서 신호로부터 잡음을 제거하고, 저역 통과 필터링을 수행하여 고주파 성분을 제거하는 인터페이스 회로(520)와,
상기 인터페이스 회로(520)로부터 수신된 전처리 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(530)와,
상기 ADC(530)로부터 수신한 신호를 분석하여 정전 용량을 결정하고, 결정된 정전 용량에 기초하여 상기 유체 내의 수분 함유량을 측정하는 MCU(550)와,
상기 MCU(550)를 통해 결정된 정전 용량값을 외부로 송신하는 통신 채널(590) 및,
상기 정전 용량 센서(30), 신호 발생부(510), 인터페이스 회로(520), ADC(530), MCU(550) 및 통신 채널(590)에 전원을 공급하는 구동부(570)를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 수분 함유량 측정 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 유체의 현재 온도를 측정하는 온도 센서(40)를 더 포함하고,
상기 MCU(550)는 상기 온도 센서(40)에 의하여 측정된 상기 유체의 온도를 고려하여 측정된 수분 함유량을 보정하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 수분 함유량 측정 기기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 MCU(550)는 상기 정전 용량 센서(30)의 전극 간의 저항값을 고려하여 수분함량을 보상하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 수분 함유량 측정 기기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 MCU(550)로부터 상기 유체 내의 수분 함유량을 수신하고, 수신된 수분 함유량이 허용 범위를 벗어날 경우 이를 경고하며 상기 유체의 공급을 중단하도록 외부 장치를 제어하는 콘트롤 박스(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 내의 수분 함유량 측정 기기.