KR20160147418A - 와전류를 이용한 압력센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부의 압력에 의한 다이어프램(diaphragm)의 변형에 따른 와전류의 변화량을 측정하여 압력을 측정할 수 있는 와전류를 이용한 압력센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 압력센서는, 하우징과; 상기 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과; 상기 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 전류를 인가받는 솔레노이드코일과; 상기 다이어프램의 변형에 따라 다이어프램과 솔레노이드코일 사이에서 발생하는 와전류의 변화량을 측정하는 압력산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

와전류를 이용한 압력센서{Pressure Sensor Using Eddy Current}
본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부의 압력에 의한 다이어프램(diaphragm)의 변형에 따른 와전류의 변화량을 측정하여 압력을 측정할 수 있는 와전류를 이용한 압력센서에 관한 것이다.
압력센서는 선박, 자동차, 화학설비, 반도체 제조설비 등에서 유체가 통과하는 유로 또는 밸브측에 설치되어 유체의 압력을 측정하는 데 주로 많이 이용되며, 예컨대 선박이나 자동차 엔진의 실린더 압력, 연료분사 시스템의 압력, 연료전지 차량의 수소가스 또는 공기의 압력, 소음기 내의 배기가스 압력, 그외 기타 일반 산업용 압력계 등과 같이 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력 범위를 고정밀도로 측정하는 데 사용된다.
기존 압력센서에는 다이어프램부의 변형량을 측정하기 위해 스트레인게이지 센서, 피에조(압전소자) 센서, 용량 센서 등을 적용하고 있다.
그런데, 스트레인게이지 센서는 반응속도가 늦고, 온도 외란에 의한 오차가 크게 발생하는 문제가 있다. 그리고 피에조 센서는 압력의 동적 변화만 측정 가능하며, 정압 측정이 불가능한 문제가 있으며, 특히 동일한 압력에 대해 시스템의 동적 주파수에 따라 다른 출력값을 나타내는 문제가 있다.
등록특허 제10-1201465호(2012.11.08.) 공개특허 제10-2011-0040546호(2011.04.20.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 코일에 인가되는 고주파 전류에 의해 발생하는 와전류의 변화량을 측정하여 고응답 성능을 확보할 수 있으며, 고압에서 정압 측정이 가능하고, 측정 대상의 동적 주파수에 관계없이 동일한 출력값을 제공할 수 있으며, 온도에 의한 외란에 강한 와전류를 이용한 압력센서를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력센서는, 하우징과; 상기 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과; 상기 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 전류를 인가받는 솔레노이드코일과; 상기 다이어프램의 변형에 따라 다이어프램과 솔레노이드코일 사이에서 발생하는 와전류의 변화량을 측정하는 압력산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 외부의 유체 압력에 의한 다이어프램의 기계적 변형에 따라 와전류값이 변화하게 되고, 이러한 와전류값의 변화에 의한 임피던스 변화 해석을 통해 압력을 측정할 수 있다. 따라서 고응답 성능을 확보할 수 있으며, 고압에서 정압 측정이 가능하고, 측정 대상의 동적 주파수에 관계없이 동일한 출력값을 제공할 수 있다.
또한 다이어프램과 솔레노이드밸브 사이에 높은 전기 전도도를 갖는 와전류유도체가 설치되어 와전류 측정 감도를 증대시킬 수 있고, 다이어프램과 와전류유도체 사이에 다이어프램으로부터 와전류유도체로의 열 전달을 차단하는 단열블록이 설치되어 와전류에 의한 압력 산출시 열에 의한 외란을 최소화할 수 있다.
또한 솔레노이드코일 역시 수지 재질의 보빈에 의해 감싸져 있으므로 하우징을 통해 솔레노이드코일로 전달되는 열을 최소화하여 외란을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 압력센서의 솔레노이드코일과 와전류유도체를 나타낸 부분 절개 사시도이다.
도 3은 도 1의 압력센서의 신호 처리를 위한 제어 구성을 나타낸 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 와전류를 이용한 압력센서의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서는 원통형의 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램(diaphragm)(20)과, 상기 하우징(10) 내부에 설치되며 외부의 전류인가부(71)로부터 고주파 전류를 인가받는 솔레노이드코일(30)과, 상기 하우징(10) 내부에 설치되며 상기 솔레노이드코일(30)이 설치되는 수지 재질의 보빈(bobbin)(60)과, 상기 다이어프램(20)의 변형에 따라 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에서 발생하는 와전류의 변화량을 측정하는 압력산출부(72)를 포함한다. 여기서 상기 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에는 열적 부도체인 단열블록(50)과 전기적 전도체인 와전류유도체(40)가 설치된다.
상기 하우징(10)은 전단부와 후단부가 개방된 중광 관 형태로 이루어진다. 상기 하우징(10)은 내식성 및 고강성의 금속 재질(예를 들어 SUS 계열의 금속)로 된 것이 바람직하다. 상기 하우징(10)의 후단부에는 제어장치(70)와 전기적으로 연결되는 유연한 케이블(C)의 일단부가 삽입되어 연결된다.
상기 다이어프램(20)은 내식성 및 고탄성 재료인 SUS 계열 또는 하스텔로이(hastelloy) 금속으로 된 원반형의 금속체로서, 외부의 유체 압력에 의해 기계적인 변형이 발생한다. 상기 다이어프램(20)이 유체 압력에 의해 변형이 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여 다이어프램(20)의 전방면 및/또는 후방면 중간 부분에 다이어프램(20)의 변형을 유도하기 위한 링 형태의 변형유도홈(21)이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다이어프램(20)의 후방면 중앙에는 상기 단열블록(50)과의 결합을 위해 제1결합돌기(22)가 후방으로 돌출되게 형성된다.
상기 단열블록(50)은 상기 다이어프램(20)과 와전류유도체(40) 사이에 배치되어 외부의 열(예를 들어 엔진의 실린더에서 발생하는 열)이 상기 다이어프램(20)을 통해 와전류유도체(40)로 열이 전달되는 것을 차단하여 와전류에 의한 압력 산출시 열에 의한 외란을 최소화하는 작용을 한다. 상기 단열블록(50)은 낮은 열전달율을 가지며 고내열성 재료인 테프론(tefron) 또는 PEEK 등의 수지재로 된 것이 바람직하지만 이에 한정하지는 않는다.
상기 단열블록(50)의 전단부 중앙에는 상기 다이어프램(20)의 후단부에 형성된 제1결합돌기(22)가 삽입되어 결합되는 제1결합홈(51)이 오목하게 형성되고, 단열블록(50)의 후단부 중앙에는 와전류유도체(40)와의 결합을 위한 제2결합돌기(52)가 후방으로 돌출되게 형성되어 있다. 여기서 상기 다이어프램(20)의 제1결합돌기(22)와 단열블록(50)의 제1결합홈(51)은 억지끼움식으로 결합될 수도 있으나 접착제 또는 나사, 고정핀 등의 체결수단에 의해 상호 고정되게 결합될 수도 있을 것이다.
상기 와전류유도체(40)는 상기 솔레노이드코일(30)과 일정 거리 이격되게 설치되어, 상기 다이어프램(20)의 변형에 따라 상기 단열블록(50)과 함께 하우징(10) 내부에서 축방향으로 이동하여 솔레노이드코일(30)과의 거리가 변하게 된다. 상기 와전류유도체(40)는 단열블록(50) 및 다이어프램(20)에 결합되어 있으므로 다이어프램(20)의 기계적 변형량과 동일한 변위로 이동하게 된다.
상기 와전류유도체(40)는 솔레노이드코일(30)에 의해 발생하는 전자기장에 의해 와전류를 원활하게 발생시킬 수 있도록 하기 위하여 고전도도(electrical conductivity) 금속이면서, 온도에 따른 투자율(permeability)의 변화가 작은 비자성체 금속인 알루미늄이나 구리 등의 금속재로 된 것이 바람직하다.
상기 와전류유도체(40)의 전단부에는 상기 단열블록(50)의 제2결합돌기(52)가 삽입되어 결합되는 제2결합홈(41)이 오목하게 형성된다. 상기 단열블록(50)의 제2결합돌기(52)와 와전류유도체(40)의 제2결합홈(41)은 억지끼움식으로 결합될 수도 있으나 접착제 또는 나사, 고정핀 등의 체결수단에 의해 상호 고정되게 결합될 수도 있다.
상기 보빈(60)은 하우징(10) 내부에서 솔레노이드코일(30)을 단단히 지지하는 작용을 함과 더불어, 단열블록(50)과 마찬가지로 열적 부도체인 테프론 또는 PEEK 등의 수지로 만들어져 열이 하우징(10)을 통해 솔레노이드코일(30)로 전달되어 열에 의한 외란을 받는 것을 억제하는 작용을 한다.
상기 보빈(60)은 중앙이 개방된 중공의 원통체로 이루어져 하우징(10) 내부에 고정되게 설치되며, 전단부 중앙에는 상기 솔레노이드코일(30)이 삽입되어 설치되는 코일설치홈(61)이 오목하게 형성되어 있다.
상기 솔레노이드코일(30)은 구리 또는 은과 같은 금속 재질의 코일로 이루어지며, 절연 코팅되어 상기 보빈(60)의 코일설치홈(61) 내에 감겨지며 설치된다. 상기 솔레노이드코일(30)은 상기 케이블(C)의 내부를 통과하는 전선에 의해 상기 전류인가부(71) 및 압력산출부(72)와 전기적으로 연결된다.
상기 전류인가부(71) 및 압력산출부(72)는 외부의 제어장치에 구성된다. 상기 전류인가부(71)는 전선을 통해 상기 솔레노이드코일(30)에 고주파 전원을 인가하여 솔레노이드코일(30)에서 전자기장(electromagnetic field)을 발생시킨다.
그리고 상기 압력산출부(72)는 상기 와전류유도체(40)의 변위에 따른 와전류의 변화량에 따라 임피던스가 변화하는 것을 측정하고, 이 임피던스 변화량에 따라 압력을 산출하여 출력장치(미도시)를 통해 외부로 출력한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 압력센서는 다음과 같이 작동한다.
제어장치의 전류인가부(71)를 통해 솔레노이드코일(30)에 고주파 전류가 인가되면 솔레노이드코일(30)에서 전자기장이 발생하게 된다. 이 때 와전류유도체(40)에 전자기장에 의한 와전류가 발생하게 된다.
이 상태에서 하우징(10) 외부에서 유체의 압력에 의해 다이어프램(20)에 기계적인 변형이 발생하게 되면, 다이어프램(20)에 결합된 단열블록(50)과 와전류유도체(40)가 하우징(10) 내부에서 축방향으로 이동하게 된다. 이 때 와전류유도체(40)와 단열블록(50) 및 다이어프램(20)이 함께 결합되어 있으므로 와전류유도체(40)의 변위는 다이어프램(20)의 기계적 변형량과 동일하다.
상기 와전류유도체(40)에 변위가 발생함에 따라 와전류유도체(40)와 솔레노이드코일(30) 간의 상대 거리에 변화가 발생하게 되고, 이에 따라 와전류유도체(40)의 표면에 생성되는 와전류량이 변화되어 솔레노이드코일(30)의 임피던스가 변하게 된다.
상기 압력산출부(72)는 미리 입력되어 있는 임피던스 변화량-압력값 데이터로부터 측정된 임피던스 변화량으로 압력을 산출한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 외부의 유체 압력에 의한 다이어프램(20)의 기계적 변형에 따라 와전류 세기가 변화하게 되고, 이러한 와전류 세기의 변화에 의해 압력을 측정할 수 있다. 따라서 고응답 성능을 확보할 수 있으며, 고압에서 정압 측정이 가능하고, 측정 대상의 동적 주파수에 관계없이 동일한 출력값을 제공할 수 있다.
또한 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에 높은 전기 전도도를 갖는 와전류유도체(40)가 설치되어 와전류 측정 감도를 증대시킬 수 있고, 다이어프램(20)과 와전류유도체(40) 사이에 다이어프램(20)으로부터 와전류유도체(40)로의 열 전달을 차단하는 단열블록(50)이 설치되어 열에 의한 외란을 최소화할 수 있다.
또한 솔레노이드코일(30) 역시 수지 재질의 보빈(60)에 의해 감싸져 있으므로 하우징(10)을 통해 솔레노이드코일(30)로 전달되는 열을 최소화하여 외란을 억제할 수 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 하우징 20 : 다이어프램
21 : 변형유도홈 22 : 제1결합돌기
30 : 솔레노이드코일 40 : 와전류유도체
41 : 제2결합홈 50 : 단열블록
51 : 제1결합홈 52 : 제2결합돌기
60 : 보빈 61 : 코일설치홈
70 : 제어장치 71 : 전류인가부
72 : 압력산출부

Claims (9)

  1. 하우징(10)과;
    상기 하우징(10)의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램(20)과;
    상기 하우징(10) 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 전류를 인가받는 솔레노이드코일(30)과;
    상기 다이어프램(20)의 변형에 따라 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에서 발생하는 와전류의 변화량을 측정하는 압력산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에는 다이어프램(20)과 연결되어 다이어프램(20)의 변형에 따라 하우징(10) 내부에서 이동하는 금속 재질의 와전류유도체(40)가 솔레노이드코일(30)과 일정 거리 이격되게 설치되어, 상기 와전류유도체(40)에서 와전류가 발생하도록 된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다이어프램(20)과 와전류유도체(40) 사이에는 와전류유도체(40)로의 열전달을 차단하는 단열블록(50)이 설치되어, 상기 다이어프램(20)의 변형에 의해 단열블록(50)과 와전류유도체(40)가 함께 이동하는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단열블록(50)의 전단부에는 상기 다이어프램(20)의 중앙부에 후방으로 돌출되게 형성된 제1결합돌기(22)가 삽입되어 결합되는 제1결합홈(51)이 오목하게 형성되고, 상기 단열블록(50)의 후단부에는 제2결합돌기(52)가 후방으로 돌출되게 형성되고, 상기 와전류유도체(40)의 전단부에는 상기 제2결합돌기(52)가 삽입되어 결합되는 제2결합홈(41)이 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와전류유도체(40)는 알루미늄 또는 구리로 된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하우징(10) 내부에는 상기 솔레노이드코일(30)이 설치되는 수지 재질의 보빈(60)이 설치된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보빈(60)의 전단부 중앙에 상기 솔레노이드코일(30)이 삽입되어 설치되는 코일설치홈(61)이 형성된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램(20)의 전방면 또는 후방면에 다이어프램(20)의 변형을 유도하기 위한 링 형태의 변형유도홈(21)이 형성된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하우징(10)의 후단부에는 유연한 케이블이 연결되며, 상기 솔레노이드코일(30)은 상기 케이블(C)의 내부를 통과하는 전선에 의해 상기 전류인가부 및 압력산출부와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 압력센서.
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