KR20180080249A - 플로트를 통한 유체 레벨 검출 - Google Patents

플로트를 통한 유체 레벨 검출 Download PDF

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Abstract

유체 센서는 안내부, 플로트, 영구 자석 및 자기 각도 센서를 포함한다. 일 예에서, 플로트는 수직축을 따라 이동하도록 안내부에 의해 적어도 부분적으로 제한된다. 영구 자석은 플로트에 기계적으로 결합된다. 자기 각도 센서는 영구 자석에 의해 발생되는 자기장의 각도를 측정하도록 구성되고, 수직축을 따르는 플로트의 이동이, 영구 자석에 의해 발생되어 자기 각도 센서를 통하는 자기장의 각도를 변화시키도록 위치된다.

Description

플로트를 통한 유체 레벨 검출
관련 출원
본 출원은 2016년 11월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/260,928호 및 2016년 4월 5일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/318,620호의 이득을 주장하며, 이 출원의 개시내용 전체는 본원에 참조로 포함된다.
실시예는 유체의 레벨을 감지하는 것과 관련되어 있다.
유체 레벨 감지는, 예를 들어 선택적 촉매 환원 디젤 배출물-제어 시스템에 사용되는, 차량의 차량 탱크 안에 있는 디젤 배기 유체(DEF)의 레벨을 감지하는 단계를 포함하는, 다수의 차량 적용예에 유용하다. 선택적 촉매 환원(SCR)은 디젤 질소 산화물(NOx) 배출물을, 촉매작용에 의해 이원자 무해 질소 가스(N2) 및 물(H2O)로 전환하는 방법이다.
DEF는 정제수와 요소의 혼합물이다. 전형적인 SCR 시스템에서, DEF는 차량의 탱크에 저장되고, 배기가스에 주입된다. 주입된 요소는 배기가스의 NOx를 질소 물, 및 이산화탄소로 분해한다. 다양한 센서와 기술이 유체의 레벨을 감지 또는 결정할 수 있음에도 불구하고, 이런 센서와 기술이 항상 만족스럽지는 않다.
일 실시예는 안내부, 수직축을 따라 이동하도록 안내부에 의해 적어도 부분적으로 제한되는 플로트 및 플로트에 기계적으로 결합된 영구 자석을 포함하는 유체 센서를 제공한다. 유체 센서는, 영구 자석에 의해 발생된 자기장의 각도를 측정하도록 구성되며, 수직축을 따르는 플로트의 이동이 영구 자석에 의해 발생되어 자기 각도 센서를 통하는 자기장의 각도를 변화시키도록 위치된, 자기 각도 센서를 추가로 포함한다.
다른 실시예는 튜브, 플로트, 영구 자석, 스프링 및 자기 각도 센서를 포함하는 유체 센서를 제공한다. 일 예에서, 튜브는 수직축을 가지며, 유체를 유지하도록 구성된 탱크 안에 위치된다. 튜브는 유체가 튜브 안으로 들어가게 하는, 적어도 하나의 개구부를 포함한다. 플로트는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 제한되어, 수직축을 따라 이동하도록 구성된다. 영구 자석은 플로트에 기계적으로 결합된다. 스프링은 튜브에 결합된 제1 단부 및 플로트에 결합된 제2 단부를 갖는다. 자기 각도 센서는 영구 자석에 의해 발생되는 자기장의 각도를 측정하도록 구성되고, 수직축을 따르는 플로트의 이동이, 영구 자석에 의해 발생되어 자기 각도 센서를 통하는 자기장의 각도를 변화시키도록 위치된다.
다른 실시예는 튜브, 플로트, 감지 표적, 스프링 및 센서를 포함하는 유체 센서를 포함한다. 일 예에서, 튜브는 수직축을 가지며, 유체를 유지하도록 구성된 탱크 안에 위치된다. 튜브는 유체가 튜브 안으로 들어가게 하는, 적어도 하나의 개구부를 포함한다. 플로트는 튜브에 의해 적어도 부분적으로 제한되어, 수직축을 따라 이동하도록 구성된다. 감지 표적은 플로트에 기계적으로 결합된다. 스프링은 수직축을 따라 신장 및 수축되도록 구성된다. 스프링의 제1 단부는 튜브와 결합되며, 스프링의 제2 단부는 플로트와 결합된다. 센서는 감지 표적의 위치와 관련된 특성을 측정하도록 구성되며, 수직축을 따르는 플로트의 이동이 측정된 특성을 변화시키도록 위치된다. 플로트의 위치는 유체의 표면 아래에 잠긴 플로트의 체적에 의해 영향을 받는다.
다른 실시예는 케이지, 플로트, 영구 자석 및 자기 스위치를 포함하는 유체 센서를 제공한다. 일 예에서, 케이지는 유체를 유지하도록 구성된 탱크 안에 위치된다. 케이지는 유체가 케이지 안으로 들어가게 하고, 케이지 안의 층류 및 난류를 감소시키거나 제거하는 개구부를 포함한다. 플로트는 케이지 안에 위치되며, 미리 결정된 밀도인 플로트 밀도를 갖는다. 영구 자석은 플로트에 기계적으로 결합된다. 영구 자석은 외부 자기장의 효과를 감소시키는 자기장으로 구성된다. 자기 스위치는 케이지 안의 플로트의 위치를 결정하도록 구성된다. 자기 스위치의 상태는 유체의 유체 밀도가 미리 결정된 밀도보다 작은지 여부를 나타낸다.
본 발명의 다른 양태는 상세한 설명과 첨부된 도면을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 감지 시스템을 도시한 단면도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 도 1의 감지 시스템의 유체 레벨 센서를 도시한 단면 절결도이다.
도 3a-3b는 일부 실시예에 따른 도 1의 감지 시스템의 유체 레벨 센서를 도시한다.
도 4는 일부 실시예에 따른 도 2의 유체 레벨 센서의 튜브와 플로트의 확대도이다.
도 5a는 일부 실시예에 따른 도 1의 감지 시스템의 작동 또는 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 5b는 일부 실시예에 따른 각도 출력 대 실제 액체 레벨을 도시한 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 유체 레벨 센서를 도시한 개략도이다.
도 7a는 일부 실시예에 따른 도 1의 감지 시스템의 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
도 7b는 다른 실시예에 따른 도 1의 감지 시스템의 제어 시스템을 도시한 블록도 이다.
도 7c는 다른 실시예에 따른 도 1의 감지 시스템의 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
임의의 실시예를 자세하게 설명하기 전에, 실시예는 다음의 설명에서 제시되거나 다음의 도면에 도시되는 구성의 세부사항 및 구성요소 배열에 대한 그의 적용에 한정되지 않음을 이해해야 한다. 다른 실시예가 가능하며 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 감지 시스템(1100)을 도시한다. 도시된 예에서, 감지 시스템(1100)은 감지되는 유체를 유지하는 탱크 또는 저장소(1105)를 포함한다. 유체는 자동차 유체, 예를 들어 디젤 배기 유체(DEF), 브레이크 유체, 오일, 연료, 변속기 유체, 세척기 유체 및 냉매와 같은 어떤 유체도 될 수 있다. 감지 시스템(1100)은 하나 이상의 아날로그 또는 디지털 센서를 포함한다. 도시된 예에서, 저장소(1105)는 유체 레벨 센서(1110) 및 디지털 유체 밀도 스위치(1115)를 포함한다. 센서(1110 및 1115)는 저장소(1105)의 하부에 위치되는 기부(1120)에 결합된다. 센서(1110 및 1115)는 유체가 저장소(1105)로부터 센서(1110 및 1115)로 들어갈 수 있게 하는, 개구부(1125)를 포함한다. 도 1이 유체 레벨 센서(1110)의 단일 개구부(1125)를 도시하고 있지만, 일부 실시예에서 유체 레벨 센서(1110)는, 유체가 저장소(1105)로부터 유체 레벨 센서(1110)로 들어갈 수 있게 하는 추가적인 개구부를 포함한다.
도 2는 유체 레벨 센서(1110)의 단면 절결도를 도시한다. 유체 레벨 센서는 유체의 비율 및/또는 실제 레벨을 측정하도록 구성된다. 도 2에 도시된 예에서, 유체 레벨 센서(1110)는 수직으로 배향되고, 하부(1207)를 갖고, 수직축(1210)을 갖는 튜브(1205) 형상의 안내부를 포함한다. 플로트(1215)는 튜브(1205)에 의해 적어도 일부에서(또는 부분적으로) 제한되어, 플로트가(1215)가 예측 가능한 방식으로(예를 들어, 수직축(1210)을 따라) 이동할 수 있다. 일 실시예에서, 플로트(1215)는 형상이 원통형이다. 원통형의 플로트는 종종 펜슬 플로트로 지칭된다. 튜브(1205) 및 플로트(1215)는 단지 예시이다. 일부 실시예에서, 튜브(1205)및 플로트(1215)는 원통형, 구형, 정육면체형 또는 다른 형상일 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 튜브(1205)는 플로트(1215)가 예측 가능한 방식으로 이동하도록 플로트(1215)의 이동을 제한하는 다른 구조적 구성요소로 대체된다. 예를 들어, 트랙, 레일 또는 다른 안내부가 튜브(1205) 대신에 사용될 수 있다. 플로트(1215)는 수직축(1210)을 따라 튜브(1205) 안에서 이동 가능하다. 특히, 플로트(1215)는 스프링(1220)의 제1 단부에 결합된다. 스프링(1220)의 제1 단부는 수직축(1210)을 따라 이동하여 스프링(1220)의 제2 단부에 대해 스프링(1220)을 신장 및 압축시킨다. 스프링(1220)의 제2 단부는 튜브(1205)에 고정적으로 결합되어, 스프링(1220)의 제2 단부는 이동이 불가능하다. 일부 실시예에서, 스프링(1220)은 코일 스프링이다. 일부 실시예에서, 스프링(1220)은, 수직축(1210)에 수직인 수평 방향에서보다 수직축(1210)을 따라 더 낮은 스프링 상수를 갖는다. 스프링(1220)은 저장소(1105) 안의 유체와 공존 가능한 재료로 만들어진다. 예를 들어, 저장소(1105) 안의 유체가 DEF일 때, 스프링(1220)은 316L 스테인레스 스틸로 만들어질 수 있다. 플로트(1215)는 캡(1225), 추(1230) 및 영구 자석(1235)을 포함한다. 영구 자석(1235)은 플로트(1215)에 기계적으로 결합된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 영구 자석(1235)은 플로트(1215) 안에 위치될 수 있고, 혹은 플로트(1215)의 외부 표면에 부착될 수도 있다. 일부 실시예에서, 플로트(1215)는 저장소(1105) 안의 유체의 밀도보다 높은 밀도를 가져서, 스프링(1220)이 그를 들어올리지(또는 상쇄력을 적용하지) 않으면, 플로트(1215)는 튜브(1205)의 하부(1207)로 가라앉을 수 있다. 추가적으로, 튜브(1205)는 영구 자석(1235) 부근에 위치된 자기 각도 센서(1240)를 포함한다. 일부 실시예에서, 스프링(1220)은 플로트(1215)가 실질적으로 유체의 레벨의 변화보다 작게 이동하게 할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 유체의 레벨이 약 10mm 변화할 때, 플로트(1215)는 약 1mm만 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 각도 센서(1240)는 자기장 각도를 동적으로 측정하고, 측정된 자기장 각도를 실시간으로 출력하도록 구성된 아날로그 센서이다. 일부 실시예에서, 자기 각도 센서(1240)는 자기장이 자기장 임계값을 넘을 때를 검출하도록 구성된 디지털 센서일 수 있다. 이런 실시예에서, 자기 각도 센서(1240)는 자기장 임계값을 넘으면 데이터를 출력한다.
도 3a 및 3b는 두 예시적인 상황에서 유체 레벨 센서(1110)의 간략화된 개략도를 도시한다. 도 3a는 유체 레벨(1305)이 저장소(1105)의 하부 근처에 있을 때의 유체 레벨 센서(1110)를 도시한다. 반대로, 도 3b는 유체 레벨(1310)이 저장소(1105)의 상부 근처에 있을 때의 유체 레벨 센서(1110)를 도시한다. 유체 레벨 센서(1110)는 저장소(1105) 안의 유체 레벨의 대략적인 선형의 비-접촉식 측정 방법을 제공한다. 더 구체적으로, 저장소(1105)의 유체 레벨이 변화할 때, 플로트(1215)에 의해 스프링(1220)에 가해지는 부력의 변화를 야기하고, 이는 플로트(1215)가 수직축(1210)을 따라 이동하도록 야기한다. 플로트(1215)의 이동은, 영구 자석(1235)에 의해 생성되어 자기 각도 센서(1240)를 통하는 자기장의 각도를 감시함으로써 결정될 수 있다. 자기 각도 센서(1240)을 통하는 자기장 각도에 기초하여, 저장소(1105)의 유체 레벨이 계산될 수 있다.
플로트(1215)에 대한 부력과 스프링력의 조합은 플로트(1215)의 중량에 대응한다고 볼 수 있다. 수학적으로, 이는 mg = kx + ρgV(수학식 10)로 표현할 수 있고, 여기서 m은 플로트(1215)의 질량, g는 중력 가속도, k는 스프링(1220)의 스프링 상수, ρ는 저장소(1105) 안의 유체의 밀도, V는 저장소(1105) 안의 유체의 표면 아래의 플로트(1215)의 체적(즉, 플로트(1215)의 단면적 곱하기 플로트(1215) 상의 저장소(1105)안의 유체의 레벨)이며, x는 스프링이 압축되지 않은 길이에서 압축되는 거리이다. x에 대해 수학식 10을 풀면 수학식 11: x =
Figure pct00001
이 유도된다. 플로트(1215) 상의 저장소(1105) 안의 유체의 레벨에 관하여 수학식 11에 미분을 취하면, 플로트(1215)의 위치가 플로트(1215) 상의 저장소(1105) 안의 유체의 레벨과 선형으로 이동하는 것을 알 수 있다:
Figure pct00002
(수학식 12).
영구 자석(1235)의 길이 및 자기 각도 센서(1240)의 위치는 영구 자석(1235)에 의해 생성되어 자기 각도 센서(1240)를 통하는 자기장의 각도가 플로트(1215)의 위치에 대해 대략적인 선형으로 변화하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, a) 자기 각도 센서(1240)가, 플로트(1215)가 이동할 수 있는 최대 거리를 정의하는 상부 지점과 하부 지점 사이의 중간에 있도록 위치될 때, 및 b) 영구 자석(1235)의 길이가 플로트(1215)가 이동할 수 있는 거리의 2배일 때, 이런 관계가 발생한다. 유체 레벨 센서(1110)를 이 방식으로 구성하기 위해 필요한 스프링(1220)의 스프링 상수 k는 다음과 같이 계산될 수 있다: k =
Figure pct00003
(수학식 13), 여기서 부력은 저장소(1105) 안의 유체가 플로트(1215) 위에 있을 때의 플로트(1215)에 대한 총 부력이고, 필요한 이동 거리는 영구 자석(1235)의 길이의 절반이다. 자기 각도 센서(1240)는 꽉 찬 저장소(1105)를 나타내는 플로트(1215)의 위치와 텅 빈 저장소(1105)를 나타내는 플로트(1215)의 위치 사이의 중간에 있도록 이렇게 위치될 수 있다.
저장소(1105) 안의 유체 레벨이 변화함에 따라 대략적인 선형의 측정치의 변화를 제공하는 것에 추가로, 위에 설명된 유체 레벨 센서(1110)는 수평면에서의 상대적 위치 이동과는 대체로 무관하다. 예를 들어, 영구 자석(1235)과 자기 각도 센서(1240) 사이의 간격(1255)에서의 작은 변화는 측정된 자기장 각도에 단지 부차적인 변화만을 생성한다. 유사하게, 영구 자석(1235)과 자기 각도 센서(1240) 사이의 교차-축 정렬의 작은 변화는 측정된 자기장 각도에 단지 부차적인 변화만을 생성한다.
도 4는 튜브(1205) 및 플로트(1215)의 확대도를 도시한다. 일부 실시예에서, 튜브(1205) 또는 플로트(1215)는, 튜브(1205)와 플로트(1215) 사이의 마찰을 감소시키기 위한 볼록한 접촉 표면(1405)을 포함한다. 튜브(1205) 또는 플로트(1215)의 그 외의 부분은 매끄러운 표면(1410)을 갖는다. 도 4는 볼록한 접촉 표면(1405)을 갖춘 플로트(1215) 및 매끄러운 표면(1410)을 갖춘 튜브(1205)를 도시한다. 표면(1405 및 1410)은 마찰을 감소시키기 위해 오염 입자가 튜브(1205)와 플로트(1215) 사이의 접촉 지점을 지나서 가라앉게 한다. 추가적으로, 튜브(1205)와 플로트(1215) 사이의 마찰은 낮은 마찰 계수를 갖는 튜브(1205) 및 플로트(1215) 용 재료를 사용함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 많은 플라스틱이 튜브(1205) 및/또는 플로트(1215)를 만들기 위해 사용될 수 있다. 플로트(1215)를 만들기 위해 사용되는 재료는 또한 플로트(1215)가 저장소(1105)의 유체(1415)를 흡수하는 것을 방지하기 위해 낮은 흡수 특성을 가질 수 있고, 이는 플로트(1215)의 질량 및/또는 체적을 변화시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 유체 레벨 센서(1110)가 사용되는 환경의 온도는 저장소(1105) 안의 유체 레벨의 측정에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 온도는 스프링(1220)의 탄성(즉, 스프링 상수 k)에 영향을 미칠 수 있다. 추가적으로, 온도는 튜브(1205) 및/또는 플로트(1215)의 절대 길이를 변화시킬 수 있는 튜브(1205) 및/또는 플로트(1215)의 열 팽창을 야기할 수 있다. 유체 레벨 센서(1110)의 이런 온도로 인한 변동은 예측 가능하고, 예를 들어 다음과 같이 보정될 수 있다: 온도 보정 = (t - 25) * (C1 - 측정된 유체 레벨) * C2(수학식 14), 여기서 t는 측정된 온도, C1 및 C2는 상수, 측정된 유체 레벨은 온도 보정 없이 측정된 유체 레벨이다. 따라서, 온도 보정 값은 다음과 같이 저장소(1105) 안의 실제 유체 레벨을 계산하는 데에 사용될 수 있다: 실제 유체 레벨 = 측정된 유체 레벨 + 온도 보정(수학식 15). 상수 C1 및 C2는 실제 유체 레벨이 측정된 유체 레벨과 온도 보정의 합과 거의 동일하도록 시험을 통해 교정됨을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 자기 각도 센서(1240)는 자기장의 각도뿐만 아니라 유체의 온도도 감지하는 집적 회로의 일부이다. 예를 들어, 자기 각도 센서(1240)는 이런 두 측정 모두를 하고, 디지털 메시지를 사용하여(예를 들어, SENT(Single-Edge Nibble Transmission) 프로토콜을 사용하여), 이들 측정치를 전자 프로세서로 통신할 수 있다. 일부 실시예에서, 주변 센서 인터페이스5(PSI5), 내부 집적 회로(I2C) 등과 같은 다른 통신 프로토콜이 단일 통신 인터페이스 상에서 자기장 각도 측정치 및 온도 측정치를 전자 프로세서로 통신하도록 사용될 수 있다. 자기장 각도 측정치 및 온도 측정치 모두를 측정하고 전송하기 위해 단일 장치(예를 들어, 자기 각도 센서(1240))를 사용함으로써 유체 레벨 센서(1110)의 복잡성 및 비용을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 유체 레벨 센서(1110)는 유체 레벨 측정치를 필터링하여 차량 운동 중에 겪는 수직 가속이 부정확한 유체 레벨 측정을 야기하는 것을 방지한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 자기 각도 센서(1240)로부터의 측정치는 수직 가속에 의해 야기되는 측정치 진동을 필터링하기 위해 저역 통과 필터를 통과한다. 추가적으로, 흔히, 유체 레벨 감지 적용예는 측정 업데이트를 매우 빈번하게(예를 들어, 매 초마다) 요구하지 않는다. 따라서, 일부 실시예에서, 디지털 필터링은 저장소(1105) 안의 유체 레벨의 측정값에 대한 수직 가속의 영향을 감소시키거나 제거하기 위해, 미리 결정된 주기의 시간에 걸쳐 유체 레벨의 평균값(예를 들어, 단순 이동 평균 및/또는 가중 이동 평균)을 계산하도록 사용된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예에서, 유체 레벨 센서(1110)는 차량 운동 중에 겪는 수직 가속이 부정확한 유체 레벨 측정을 야기하는 것을 방지하기 위해, 플로트(1215)의 진동을 감쇠시킨다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 튜브(1205)는, 유체로 채워진, 플로트(1215)의 하부 아래의 포켓을 포함하고 플로트(1215)가 포켓 내로 하향 이동할 때, 유체의 제한된 탈출 경로를 갖는다. 플로트(1215)와 포켓 사이의 간격이 작으면, 수직 가속으로 인해 플로트(1215)가 움직이는 경향을 감소시키는 댐핑이 발생할 것이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예에서, 영구 자석과 전도체 사이의 상대 운동은 플로트(1215)의 이동에 항력을 생성하는 와전류를 유도한다(즉, 자기 댐핑). 또한, 일부 실시예에서, 플로트(1215)의 운동은 플로트(1215)의 일부를 튜브(1205)와 접촉하게 구동하도록 사용될 수 있고, 이는 마찰을 생성한다. 플로트(1215)와 튜브(1205) 사이의 마찰은 플로트(1215)의 운동을 감쇠시킨다(즉, 저항 댐핑). 자기 댐핑 및 저항 댐핑 모두는, 튜브(1205)의 속도에 의존하여 유체 레벨의 측정에서 이력현상의 생성을 피하면서 플로트(1215)의 불필요한 이동에 대항하는 힘을 생성한다.
도 5a는 3개의 다른 유체 레벨에서 유체 레벨 측정을 수행함으로써 유체 레벨 센서(1110)를 교정하는 하나의 예시적인 방법(1500)을 도시한다. 도시된 실시예에서, 유체 레벨 센서(1110)는 플로트(1215)를 밀어 올리는 부력이 없도록, 유체 없이 수직으로 위치된다(블록 1505). 영구 자석(1235)에 의해 생성된 자기장 각도가 자기 각도 센서(1240)에서 측정된 바와 같이 기록된다. 이 자기장 각도를 B0로 지칭하고, 대응하는 유체 레벨을 Level0로 지칭한다. 유체 레벨 센서(1110)는, 저장소(1105)의 하부로부터 플로트(1215)를 밀어 올리는 약간의 부력을 제공하는 낮은 레벨의 물(예를 들어, 15 mm)로 채워진다(블록 1510). 낮은 레벨의 수위에서 영구 자석(1235)에 의해 생성된 자기장 각도가 자기 각도 센서(1240)에서 측정된 바와 같이 기록된다. 이 자기장 각도를 B1Water로 지칭하고, 대응하는 유체 레벨을 Level1으로 지칭한다. 유체 레벨 센서(1110)는 저장소(1105) 안의 측정 가능한 유체의 총 범위에서 거의 고점에 있는 높은 레벨의 물(예를 들어, 90 mm)로 채워진다(블록 1515). 중간 레벨의 수위에서 영구 자석(1235)에 의해 생성된 자기장 각도가 자기 각도 센서(1240)에서 측정된 바와 같이 기록된다. 이 자기장 각도를 B2Water로 지칭하고, 대응하는 유체 레벨을 Level2로 지칭한다.
블록 1520에서, 유체 레벨 센서(1110)의 물에 대한 감도는, 예를 들어 다음 수학식을 사용하여 계산된다.
물에 대한 감도 =
Figure pct00004
(수학식 16).
Level0 = Level1 -
Figure pct00005
(수학식 17).
유체 레벨 센서(1110)의 물에 대한 감도는, 일 실시예에서, 물이 저장소(1105) 안의 유체일 때, 유체 높이 변화의 단위당 측정 변화이다. 유체의 밀도가 다르기 때문에, 유체 레벨 센서(1110)의 감도는 물 및 DEF에 따라 다르다. 일 예에서, 유체에 잠긴 물체에 대한 유체의 부력은 다음과 같이 계산될 수 있다: 부력 = 유체의 밀도 * 유체에 잠긴 체적 * 중력(수학식 18). 따라서, 블록 1522에서, 유체 레벨 센서(1110)의 DEF에 대한 감도는 다음과 같이 계산된다: DEF에 대한 감도 = ρDEF / ρWater * 물에 대한 감도, 여기서 ρDEF는 DEF의 밀도이고, ρWater는 물의 밀도이다(수학식 19).
다음으로, DEF가 B1DEF로 지칭되는 Level1의 유체 레벨(즉, 낮은 유체 레벨)에 있을 때 생성될 것으로 기대되는 자기장의 각도가 계산된다(블록 1525). 일 예에서, 자기장의 각도는 다음과 같이 계산된다: B1DEF = B0 + DEF에 대한 감도 * (Level1- Level0)(수학식 20). 유사하게, DEF가 B2DEF로 지칭되는 Level2(즉, 중간 유체 레벨)의 유체 레벨에 있을 때 생성될 것으로 기대되는 자기장의 각도가 계산된다(블록 1530). 일 예에서, B2DEF는 다음과 같이 계산된다: B2DEF = B0 + DEF에 대한 감도 * (Level2-Level0)(수학식 21). 유체 레벨 센서(1110)의 출력은 그후 출력이 저장소(1105) 안의 유체의 유체 레벨에 대응하도록 교정된다(블록 1535). 예를 들어, 자기 각도 센서(1240)를 통하는 자기장의 각도가 DEF의 유체 레벨이 Level1(즉, 15 mm)인 것을 나타낼 때, 유체 레벨 센서(1110)의 출력은 150 counts 일 수 있다. 유사하게, 자기 각도 센서(1240)를 통하는 자기장의 각도가 DEF의 유체 레벨이 Level2(즉, 90 mm)인 것을 나타낼 때, 유체 레벨 센서(1110)의 출력은 450 counts 일 수 있다. 유체 레벨 센서(1110)의 출력은 이들 유체 레벨 사이 및 이들 유체 레벨을 넘어서 유체 레벨 센서(1110)의 최대 측정 레벨까지 대략 선형적이다.
위에 설명된 교정 방법(1500)은 유체 레벨 센서(1110)를 교정하기 위해 물이 사용되고 플로트(1215)와 물이 거의 동일한 온도에 있다고 가정함을 이해해야 한다.
도 5b는 교정 방법(1500)의 결과를 도시한다. 도 5b에 나타난 바와 같이, 유체 레벨 센서(1110)는 유체 레벨이 대략 10 mm에 도달할 때까지 유체 레벨의 측정을 시작하지 않는다. 도 5b는 DEF가 저장소(1105) 안의 유체일 때의 기대되는 측정선(1550)뿐만 아니라 Level1 및 Level2에 대응하는 교정점을 도시한다. 기대되는 측정선(1550)은 또한 다른 유형의 유체에 대해 도 5a의 방법(1500) 전반에 예시된 수학식(예를 들어, 수학식 19)에서 DEF의 밀도 대신에 다른 유형의 유체의 밀도를 사용하여 계산될 수 있음을 이해해야 한다.
도 6은 자속 밀도 센서(1605)를 갖춘 유체 레벨 센서(1600)의 대안적인 실시예의 개략도를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유체 레벨 센서(1600)는 튜브(1610), 스프링(1620)에 결합된 플로트(1615) 및 두 영구 자석(1625 및 1630)을 포함한다. 자속 밀도 센서(1605)를 제외하면, 유체 레벨 센서(1600)는 위에 설명된 유체 레벨 센서(1110)와 유사하게 작동한다. 특히, 튜브(1610)는 수직축(1635)을 갖고 수직축(1635)을 따라 이동 가능한 플로트(1615)를 수납한다. 플로트(1615)는 스프링(1620)의 제1 단부에 결합된다. 스프링(1620)의 제2 단부는 튜브(1610)에 고정적으로 결합된다. 도 6에 도시된 예에서, 튜브(1610)는 자속 밀도 센서(1605)가 튜브(1610)의 기부로부터 상향으로 돌출될 수 있게 하는 원호형이다. 유사하게, 플로트(1615)는, 두 영구 자석(1625 및 1630)이 수직축(1635)을 따라 이동할 수 있고, 자속 밀도 센서(1605)의 측면을 따라 통과할 수 있는 원호형이다. 영구 자석(1625 및 1630)은 플로트(1615)에 기계적으로 결합된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 영구 자석(1625 및 1630)은 플로트(1615) 안에 위치될 수 있거나, 플로트(1615)의 외부 표면에 부착될 수 있다.
자속 밀도 센서(1605)는 두 영구 자석(1625 및 1630) 사이의 자기장의 자속 밀도를 감지하고, 위에 설명한 바와 같이, 이는 저장소(1105) 안의 유체에 의해 제공된 부력에 의존한다. 예를 들어, 유체 레벨이 상대적으로 높을 때, 플로트(1615)에 대한 부력은 플로트(1615)를 상향으로 가압하여 자속 밀도 센서(1605)를 통과하는 자기장이 영구 자석(1630)의 N극으로부터 영구 자석(1625)의 S극 방향으로 향해진다. 반대로, 유체 레벨이 상대적으로 낮으면, 플로트(1615)에 대한 부력이 작아질 것이고, 이는 플로트(1615)가 스프링(1620)을 압축하게 한다. 따라서, 자속 밀도 센서(1605)를 통과하는 자기장은 영구 자석(1625)의 N극으로부터 영구 자석(1630)의 S극으로 향해진다(즉, 유체 레벨이 상대적으로 높을 때에 비교하여, 유체 레벨이 상대적으로 낮을 때에 자기장은 반대 방향이다). 자속 밀도 센서(1605)를 통과하는 자기장의 크기 및/또는 방향을 측정함으로써, 저장소(1105) 안의 유체의 유체 레벨은 유체 레벨 센서(1110)에 관하여 위에 설명된 수학식을 사용하여 계산될 수 있다.
대안적 실시예에서, 플로트(1215, 1615)의 위치는 유도 감지 원리를 사용하여 측정될 수 있다. 이 경우, 전도성 또는 철함유 표적(즉, 감지 표적)이 플로트(1215, 1615) 안의 영구 자석(들)(1235, 1625 및 1630)을 대신한다. 예를 들어, 적어도 하나의 코일이 자기 각도 센서(1240) 또는 자속 밀도 센서(1605) 대신에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 코일은 고주파 신호로 구동될 수 있고 코일의 임피던스 특성이 측정될 수 있다. 플로트(1215, 1615)(특히, 플로트(1215, 1615) 안의 전도성 또는 철함유 표적)가 코일의 면을 가로 질러 이동함에 따라, 코일의 임피던스 특성이 변하고, 이는 플로트(1215, 1615)의 위치를 측정하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 송신기 코일은 고주파수 신호로 구동되고, 별도의 두 수신기 코일은 송신기 코일로부터 수신기 코일에 결합된 신호를 측정하기 위해 사용된다. 이런 실시예에서, 플로트(1215, 1615)(특히, 플로트(1215, 1615) 안의 전도성 또는 철함유 표적)의 위치는 두 수신기 코일에서의 신호의 비율을 변화 시킨다. 따라서, 플로트(1215, 1615)의 위치가 측정될 수 있다.
위에 언급한 바와 같이, 저장소(1105)는 또한 도 1에 도시된 디지털 유체 밀도 스위치(1115)를 포함한다. 디지털 유체 밀도 스위치(1115)는 저장소(1105) 안의 유체의 밀도를 측정하고 적합한 유형의 유체가 저장소(1105)안에 있는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 디지털 유체 밀도 스위치(1115)는 DEF의 요소 농도가 효과적인 선택적 촉매 환원 프로세스에 적합한 때인지를 식별할 수 있다. 특히, DEF의 밀도는 DEF의 요소 농도에 의존한다. 따라서, 디지털 유체 밀도 스위치(1115)를 사용하여 DEF의 밀도를 측정함으로써 DEF의 낮은 요소 농도를 식별할 수 있다.
유체 레벨 센서(1110) 및 디지털 유체 밀도 스위치(1115)를 사용하여, 저장소(1105) 안의 유체의 유체 레벨, 온도 및 유체 밀도가 결정될 수 있다. 특히, 센서로부터의 각 특성과 관련된 출력 신호는 도 7a에 도시된 바와 같이 처리 유닛 또는 전자 프로세서(1005)로 전송될 수 있다. 또한 도 7a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 저장소(1105)는 유체의 온도를 감지하기 위한 별도의 온도 센서(1010)를 포함할 수 있다. 자기 각도 센서(1240), 자기 스위치(1710) 및 온도 센서(1010)로부터 신호를 수신한 후, 전자 프로세서(1005)는 유체 레벨, 온도 및 유체 밀도와 관련된 정보를 포함하는 디지털 출력을 전송할 수 있다. 예를 들어, 전자 프로세서(1005)는 저장소(1105) 안의 DEF의 양을 나타내기 위해 차량의 DEF 유체 레벨 표시기에 연결할 수 있다. 추가적으로, 전자 프로세서(1005)는 위에 설명된 바와 같이 저장소(1105) 안의 DEF의 밀도가 적합한지 여부를 표시하기 위해, DEF 품질 표시기에 연결할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 전자 프로세서(1005)는 유체 레벨, 온도 및 유체 밀도와 관련된 정보를 다른 위치의 다른 전자 제어 유닛으로 통신할 수 있다.
도 7b에 도시 된 바와 같이, 일부 실시예에서, 자기 각도 센서(1240)는 온도 센서(1010)를 포함하는 집적 회로일 수 있다. 위에 언급한 바와 같이, 자기장 각도 측정 및 온도 측정은 모두 단일 통신 인터페이스 상에서 전자 프로세서(1005)에 통신될 수 있다. 도 7b에 도시된 실시예에서, 디지털 유체 밀도 스위치(1115)의 자기 스위치(710)는 전자 프로세서(1005)에 출력 신호를 개별적으로 전송할 수 있다. 위에 설명한 바와 같이, 센서/스위치(240, 1010 및 710)로부터의 출력 신호를 수신한 다음에, 전자 프로세서(1005)는 유체 레벨, 온도 및 유체 밀도와 관련된 정보를 포함하는 디지털 출력을 전송할 수 있다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 자기 각도 센서(240)가 온도 센서(1010)를 포함하는 집적 회로일 때, 자기 각도 센서(240)는 자기 스위치(710)에 결합된 디지털 입력부(1015)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 디지털 유체 밀도 스위치(1115)의 자기 스위치(1710)로부터의 출력 신호는 자기 각도 센서(240)의 집적 회로에 의해 모니터링 될 수 있다. 따라서, 자기 각도 센서(240)의 출력 신호는 유체 레벨, 온도 및 유체 밀도와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 이런 구성은 다수의 센서의 출력이 전자 프로세서(1005)를 사용하지 않고 단일 통신 인터페이스를 통해 전송되도록 함으로써, 유체 레벨 센서(1110) 및 디지털 유체 밀도 스위치(1115)의 복잡성 및 비용을 감소시킬 수 있다. 도 7a-7c에 도시된 블록도는 단지 예시적이며, 센서(240, 710, 및 1010) 및 전자 프로세서(1005)의 다른 구성이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
그러므로, 본 발명은 무엇보다도 유체의 레벨을 감지하도록 구성된 감지 시스템을 제공한다. 본 발명의 다양한 특징 및 이점은 아래 청구항에 제시된다.

Claims (15)

  1. 유체 센서 이며,
    수직축을 따라 이동하도록 제한된 플로트;
    플로트에 기계적으로 결합된 영구 자석; 및
    영구 자석에 의해 발생된 자기장의 각도를 측정하도록 구성된 자기 각도 센서로서, 수직축을 따르는 플로트의 이동이 영구 자석에 의해 발생되어 자기 각도 센서를 통하는 자기장의 각도를 변화시키도록 위치된 자기 각도 센서;
    를 포함하는, 유체센서.
  2. 제1항에 있어서, 안내부와 안내부에 의해 적어도 부분적으로 제한되는 플로트를 추가로 포함하는, 유체 센서.
  3. 제2항에 있어서, 안내부가 원통형 형상을 갖고 수직으로 배향된, 유체 센서.
  4. 제3항에 있어서, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 스프링을 추가로 포함하고, 플로트가 스프링의 제1 단부에 결합되는, 유체 센서.
  5. 제1항에 있어서, 자기 각도 센서는 아날로그 출력을 갖는 센서인, 유체 센서.
  6. 제1항에 있어서, 자기 각도 센서는 디지털 출력을 갖는 센서인, 유체 센서.
  7. 유체 센서이며,
    수직축을 갖고, 유체를 유지하도록 구성된 탱크 안에 위치되는 튜브로서, 유체가 튜브 안으로 들어가게 하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 튜브;
    튜브에 의해 적어도 부분적으로 제한되어, 수직축을 따라 이동하도록 구성된 플로트;
    플로트에 기계적으로 결합된 영구 자석;
    튜브에 결합된 제1 단부 및 플로트에 결합된 제2 단부를 갖는 스프링; 및
    영구 자석에 의해 발생된 자기장의 각도를 측정하도록 구성된 자기 각도 센서로서, 수직축을 따르는 플로트의 이동이 영구 자석에 의해 발생되어 자기 각도 센서를 통하는 자기장의 각도를 변화시키도록 위치된 자기 각도 센서;
    를 포함하는, 유체 센서.
  8. 제7항에 있어서, 플로트가 수직축을 따라 이동할 수 있는 최대 거리가 수직축에 따른 영구 자석의 길이의 약 절반인, 유체 센서.
  9. 제8항에 있어서, 자기 각도 센서가 플로트가 이동할 수 있는 최대 거리를 정의하는 상부 지점과 하부 지점 사이의 가운데에 위치되는, 유체 센서.
  10. 제7항에 있어서, 자기 각도 센서는 아날로그 출력을 갖는 센서인, 유체 센서.
  11. 제7항에 있어서, 자기 각도 센서는 디지털 출력을 갖는 센서인, 유체 센서.
  12. 유체 센서이며,
    수직축을 갖고, 유체를 유지하도록 구성된 탱크 안에 위치되는 튜브로서, 유체가 튜브 안으로 들어가게 하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 튜브;
    튜브에 의해 적어도 부분적으로 제한되어, 수직축을 따라 이동하도록 구성된 플로트;
    플로트에 기계적으로 결합된 감지 표적;
    수직축을 따라 신장 및 수축되도록 구성된 스프링으로서, 스프링의 제1 단부는 튜브와 결합되며, 스프링의 제2 단부는 플로트와 결합된 스프링; 및
    감지 표적의 위치와 관련된 특성을 측정하도록 구성되며, 수직축을 따르는 플로트의 이동이 측정된 특성을 변화시키도록 위치되고, 플로트의 위치는 유체의 표면 아래에 잠긴 플로트의 체적에 의해 영향을 받는, 센서;
    를 포함하는, 유체 센서.
  13. 제12항에 있어서, 스프링은 수직축을 따른 플로트의 이동을 유체의 레벨 변화보다 더 작아지게 하는, 유체 센서.
  14. 제11항에 있어서, 자기 각도 센서는 아날로그 출력을 갖는 센서인, 유체 센서.
  15. 제11항에 있어서, 자기 각도 센서는 디지털 출력을 갖는 센서인, 유체 센서.
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