KR20210112465A

KR20210112465A - 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서

Info

Publication number: KR20210112465A
Application number: KR1020200027509A
Authority: KR
Inventors: 조상호; 박종식; 임별이; 남석현
Original assignee: 아머스 주식회사
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-09-15
Also published as: KR102311279B1

Abstract

본 발명은 정전용량형 레벨 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서 MCU에 구비된 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기 변화를 이용하여 내부의 고장이나 오류 발생여부를 스스로 모니터링함과 아울러, 센서 MCU에 구비된 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값의 저하 정도를 모니터링하여 노후화로 인한 교체 및 수리 시점을 적절하게 파악할 수 있게 함으로써, 정전용량형 레벨 센서의 오작동으로 인한 검출 실패가 발생되기 전에 사전적인 조치를 취할 수 있도록 자체적인 모니터링이 이루어질 수 있게 한 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서에 관한 것이다.

Description

자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서{CAPACITIVE TYPE LEVEL SENSOR CAPABLE OF SELF DIAGNOSIS}

일반적으로 물체의 존부나 레벨을 감지하기 위해 많이 이용되는 정전용량형 레벨 센서는, 감지부에 접근하는 물체에 의해 야기되는 정전용량(capacitance)의 변화를 감지하여 물질의 존부나 레벨을 검출하도록 구성된다. 즉 정전용량형 레벨 센서는 검출하고자 하는 물체가 센서에 접근하면 검출전극과 대지 간의 정전용량이 변하는 것을 이용하여 물체의 존부를 검출하게 된다.

이러한 일반적인 정전용량형 레벨 센서는, 정전용량의 변화를 토대로 검출되는 검출결과를 외부로 표출하는 검출 상태 LED와, 검출의 민감도를 조절할 수 있는 감도조절부를 포함하여 구성됨이 일반적이었다. 그에 따라, 관리자로서는 검출 상태 LED의 점등 여부를 통하여 검출하고자 하는 물체의 존부나 레벨을 파악할 수 있었다.

이러한 정전용량형 레벨 센서는 설치 후 장시간 사용되면서 각종 구성요소들이 노후화될 수 밖에 없었으나, 이러한 노후화 정도를 지속적으로 모니터링하여 그 교체 및 수리시기를 적절하게 맞추기는 어려운 문제점이 있었다. 더욱이 정전용량형 레벨 센서의 구동을 위해 발진회로, 검파회로, 적분회로, 증폭회로 및 출력회로 등 다양한 소자들을 구비하고 있어야 하였는바, 어느 특정 소자의 노후화나 고장 등으로 인해 검출 능력이 저하되더라도 이를 적절히 파악하고 대처하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 반복적인 사용에 따른 기능 저하로 인한 노후화와는 달리, 정전용량형 레벨 센서를 이루는 소자가 고장나 정상적인 동작이 이루어지지 않는 경우에도, 이러한 일부 소자의 고장 여부를 미리 파악하여 적절한 교체 또는 수리하기 어려운 문제점이 있었다.

그에 따라, 종래의 정전용량형 레벨 센서들은 설치 후 정상적인 동작이 이루어지지 않아 정상적인 기능을 수행하지 못할 정도로 노후화가 진행되거나 고장이 날 경우, 그로 인해 정상적인 감지가 이루어지지 않게 되는 문제가 발생된 이후에야 사후적인 조치로서 레벨 센서의 교체 및 수리가 이루어질 수 밖에 없었다.

그에 따라, 정전용량형 레벨 센서의 기능이 정상적으로 작동하지 않음으로 인한 사고를 사전에 방지할 수 있도록, 레벨 센서의 고장여부를 지속적으로 모니터링함과 아울러, 레벨 센서의 지속적인 사용에 따른 노후화 여부를 지속적으로 모니터링하여 레벨 센서의 교체 및 수리 시점을 적절하게 파악할 수 있게 한 새로운 기능이 부여된 정전용량형 레벨 센서의 필요성은 여전하다 할 것이다.

대한민국 등록특허 제10-1200923호 대한민국 공개특허 제10-2012-0140395호

본 발명은 센서 MCU에 구비된 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기 변화를 이용하여 내부의 고장이나 오류 발생여부를 스스로 모니터링함과 아울러, 센서 MCU에 구비된 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값의 저하 정도를 모니터링하여 노후화로 인한 교체 및 수리 시점을 적절하게 파악할 수 있게 함으로써, 정전용량형 레벨 센서의 오작동으로 인한 검출 실패가 발생되기 전에 사전적인 조치를 취할 수 있도록 자체적인 모니터링이 이루어질 수 있게 한 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서는,

검출하고자 하는 물체가 접촉될 수 있도록 튜브 내부에 설치되어 있는 전도성의 전극판으로 이루어진 검출 감지부; 상기 검출 감지부에 병렬 연결된 상태로 전원부에 의한 충전과 접지를 통한 방전이 일정 주기마다 반복 수행되는 내부 커패시터가 내장되어 있으며, 일정 주기의 클럭 신호를 출력하여 자체적인 오류여부를 감시하는 와치독타이머(WDT)가 구비되어 있는 센서 MCU; 및 상기 검출 감지부에서의 물체 접촉으로 인해 상기 내부 커패시터에서 발생되는 전압 변화를 토대로 산출되는 정전용량 값의 변화에 의해 물체의 접촉 여부를 검출하고, 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기 변화를 토대로 상기 센서 MCU의 오류여부를 모니터링하는 센서 제어부;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 센서 제어부는,

상기 검출 감지부에서의 물체 접촉으로 야기되는 내부 커패시터에서의 전압 변화를 토대로 상기 검출 감지부의 정전용량 값을 산출하여 물체의 접촉 여부를 검출하는 검출 제어부; 및 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기를 모니터링하여 상기 센서 MCU의 고장여부를 파악하는 결함 모니터링부;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 결함 모니터링부는, 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호가 미리 설정되어 있는 주기를 벗어나도록 High나 Low 상태를 유지하는 것으로 판단될 경우, 이를 센서 MCU의 고장으로 인지하여 정전용량형 레벨 센서에 구비되어 있는 자가진단 LED를 점등시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서 제어부는, 상기 센서 MCU에서 반복 수행되는 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값을 측정하면서, 이 값을 정전용량형 레벨 센서의 설치 초기에 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 최대 정전용량 값과 비교하여 그 감소 정도를 모니터링하는 노후화 모니터링부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 노후화 모니터링부는, 정전용량형 레벨 센서의 설치 초기에 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값을 최대 정전용량 값으로 저장하고, 이를 100%의 값으로 하여 이후 사용기간이 경과하면서 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값이 상기 최대 정전용량 값의 일정 수준 이하로 감소되었을 경우 이를 노후화 상태로 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서 제어부는, 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값이 설치 초기에 산출되었던 최대 정전용량 값의 일정 수준 이하에 도달하도록 저하된 것으로 판단될 경우, 일정 수준 이하로 저하된 정전용량 값을 수정된 최대 정전용량 값으로 자동 교정(Calibration)하여 저장하는 자동 교정부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서 제어부는, 상기 검출 감지부가 튜브에 접촉한 상태의 값으로 산출될 경우, 상기 검출 감지부가 설치되어 있던 위치에서 이탈된 것으로 판단하면서 검출 감지부의 이탈여부를 모니터링하는 이탈 감지부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호만으로 정전용량형 레벨 센서의 고장 여부를 신속하게 파악할 수 있게 되므로, 물체의 검출 실패가 발생하기 전에도 센서의 고장여부를 인지할 수 있어 적절한 교체 및 수리를 진행하는데 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 센서 MCU에 구비된 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값의 저하 정도를 모니터링하여 노후화로 인한 교체 및 수리 시점을 적절하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서의 개략 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서의 블록 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 센서 MCU에 구비된 커패시터에서의 충전과 방전 상황을 개략적으로 나타내는 회로도.
도 4는 본 발명에 따라 센서 MCU에 구비된 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 정상상태와 고장상태에서의 클럭 신호.
도 5는 본 발명에 따라 센서 제어부에서 노후화 상태로 판단될 경우 이를 외부로 표출하는 와치독타이머의 클럭 신호.
도 6은 본 발명에 따라 센서 제어부에서 센서 이탈로 판단될 경우 이를 외부로 표출하는 와치독타이머의 클럭 신호.
도 7은 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서에서의 검출 여부와 자가진단 결과를 외부로 표출하는 LED 점등 예시도.
도 8은 본 발명에 따라 여러 경우에 센서 MCU에서 산출되는 정전용량 값을 도시한 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서의 블록 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서는, 검출하고자 하는 물체가 접촉될 수 있도록 튜브 내부에 설치되어 있는 전도성의 전극판으로 이루어진 검출 감지부(100)와, 상기 검출 감지부에 병렬 연결된 상태로 전원부에 의한 충전과 접지를 통한 방전이 일정 주기마다 반복 수행되는 내부 커패시터가 내장되어 있으며 일정 주기의 클럭 신호를 출력하여 자체적인 오류여부를 감시하는 와치독타이머(WDT)가 구비되어 있는 센서 MCU(200)와, 상기 검출 감지부에서의 물체 접촉으로 인해 상기 내부 커패시터에서 발생되는 전압 변화를 토대로 산출되는 정전용량 값의 변화에 의해 물체의 접촉 여부를 검출하고 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기 변화를 토대로 상기 센서 MCU의 오류여부를 모니터링하는 센서 제어부(300)를 포함하여 구성된다.

상기 검출 감지부(100)는, 레벨을 검출하고자 하는 물체가 저장되어 있는 튜브 등에 설치되는 전극판으로서, 물체가 일정 레벨에 못 미칠 경우에는 튜브 내에서 공기 중에 노출된 상태를 유지하지만 물체가 채워져 일정 레벨에 도달하게 될 경우에는 물체와의 접촉에 의한 전기적 흐름을 야기하도록 구성된다.

이러한 상기 검출 감지부(100)는, 물체의 접촉이 가능하도록 노출되어 있는바 상기 센서 MCU(200) 내부에 구비되어 있는 내부 커패시터(220)에 대응하여 외부 커패시터로 기능하게 되며, 상기 센서 제어부(300)에서는 상기 검출 감지부에 물체가 접촉되는지 여부에 따라 상기 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 토대로 상기 검출 감지부에서의 정전용량 변화를 산출하여 물체의 접촉여부를 감지하도록 구성된다.

즉, 상기 검출 감지부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 내부 커패시터(220)에 병렬 연결될 뿐만 아니라, 상기 내부 커패시터를 충전하기 위한 전원을 공급하는 전원부(210)와 상기 내부 커패시터에 충전되어 있던 전원이 방전되는 접지(220)에도 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 내부 커패시터와는 반대의 상태로 방전과 충전이 이루어지게 된다.

이와 같이 외부 커패시터로 기능하는 상기 검출 감지부와 상기 센서 MCU에 구비된 내부 커패시터의 충전과 방전이 반대의 상태로 이루어지면서 상기 검출 감지부와 내부 커패시터에 걸리게 되는 전압도 상호 반대되는 상태의 값을 갖도록 충전되는데, 이때 상기 검출 감지부에 물체의 접촉이 이루어지면 상기 검출 감지부의 정전용량은 증가하게 되지만 물체의 접촉이 없는 상기 내부 커패시터의 정전용량은 변화 없는 상태를 유지하게 되므로, 상기 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 초래하게 된다.

이처럼 상기 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 토대로 상기 검출 감지부에서 변화된 정전용량 값을 산출하고, 이를 상기 센서 MCU 내부에 구비되어 있는 ADC(Analog Digital Converter)에서 변환하여 출력함으로써, 상기 검출 감지부에서의 물체 검출 여부를 파악할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 센서 MCU(200)는, 전원부에 의한 상기 내부 커패시터의 충전과 접지를 통한 내부 커패시터의 방전이 일정 주기마다 반복 수행되는 동안 상기 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 토대로 산출된 상기 검출 감지부에서의 정전용량 값을 ADC에서 변환하여 출력하는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU : Micro Controller Unit)으로 구성된다.

이러한 상기 센서 MCU(200)는 전원부에 의한 내부 커패시터의 충전과 방전이 센서 MCU 내부에서 자체적으로 반복 수행되면서, 상기 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 토대로 상기 검출 감지부에서의 정전용량 값 변화를 파악하여 상기 검출 감지부에의 물체 접촉여부를 판단할 수 있는 터치 센서용 MCU로 구성된다.

그에 따라, 물체의 접촉여부에 따라 야기되는 정전용량 값의 변화를 산출하기 위해, 발진회로, 검파회로, 적분회로, 증폭회로 및 출력회로 등의 다양하고 복잡한 소자들이 구비되어야 하였던 종래의 정전용량형 레벨 센서와는 달리, 본 발명에 따른 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서에서는, MCU 내부에서 독립적으로 반복 진행되던 충전과 방전 중 검출 감지부에의 물체 접촉 여부에 의해 달라지는 내부 커패시터 전압의 변화를 토대로 물체의 검출이 가능하게 함으로써 물체의 검출을 위해 필요로 하게 되는 부품을 간소화할 수 있게 된다.

이처럼 내부 커패시터의 충전과 방전이 반복 수행되는 동안 검출 감지부를 통한 도전성 물체의 외부 접촉이 있을 경우 내부 커패시터에 발생되는 전압의 변화를 토대로 물체의 외부 접촉이 있음을 판단할 수 있는 마이크로 컨트롤러 유닛인 센서 MCU에 대한 상세한 구성과 작용은 마이크로칩 테크놀로지사에서 제공하고 있는 MCU인 AN1478에 대한 상세한 설명을 개시하고 있는 mTouch Sensing Solution Acquisition Method Capacitive Voltage Divider를 통하여 이미 공지되어 있는바 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 이와 같이 터치 센서에 주로 적용되던 센서 MCU를 정전용량형 레벨 센서에 적용함으로써, 종래에 사용되던 정전용량형 레벨 센서와는 달리 필요로 하는 부품을 간소화함과 아울러, 센서 MCU에 자체적으로 구비되어 있는 와치독타이머(WDT :Watch Dog Timer)(240)에서 출력되는 클럭 신호의 주기를 모니터링하여 센서 MCU의 고장여부를 외부로 알리는 결함 모니터링부로 활용할 수 있게 하고, 센서 MCU 내부에서 반복 수행되는 내부 커패시터에의 최대 충전값 저하 여부를 토대로 노후화 정도를 파악할 수 있는 노후화 모니터링부로도 활용할 수 있게 한 것이다.

이를 위하여, 상기 센서 제어부(300)는, 상기 검출 감지부에서의 물체 접촉으로 야기되는 내부 커패시터에서의 전압 변화를 토대로 상기 검출 감지부의 정전용량 값을 산출하여 물체의 접촉 여부를 검출하는 검출 제어부(310)와, 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기를 모니터링하여 상기 센서 MCU의 고장여부를 파악하는 결함 모니터링부(320)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 검출 제어부(310)는, 상기 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 토대로 상기 검출 감지부의 정전용량 값의 변화를 파악하여 상기 검출 감지부가 물체의 접촉 없이 공기 중에 노출되어 있는 상태인지, 물체와 접촉되어 있는 상태인지 여부를 판단하도록 구성된다.

즉, 물체가 상기 검출 감지부가 설치된 레벨에 도달하지 않은 상태에서는 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화가 적어 검출 감지부의 정전용량 값도 튜브에 설치되어 있던 초기 상태의 값에서 큰 변화가 없게 되지만, 물체의 레벨이 상승하여 상기 검출 감지부에 접촉이 이루어질 경우에는 내부 커패시터에 걸리는 전압이 변하면서 그로 인해 산출되는 검출 감지부의 정전용량 값도 변하게 되므로, 이러한 변화를 토대로 물체의 레벨 도달 여부를 감지할 수 있게 된다.

그에 따라, 상기 검출 제어부(310)는, 상기 센서 MCU 내부에서 충전과 방전을 반복하는 내부 커패시터(220)에 걸리는 전압의 변화를 모니터링하는 것만으로도 검출 감지부(100)에 검출하고자 하는 물체가 접촉하는지 여부를 감지할 수 있게 된다.

이러한 상기 검출 제어부에서의 감지 결과, 물체가 일정한 레벨에 도달하였다고 판단될 경우에는 정전용량형 레벨 센서에 구비되어 있는 검출 LED를 점등시켜 현장 관리자가 직관적으로 파악할 수 있게 함과 아울러, UART 등 미리 연결되어 있는 통신망을 통해 모니터링 서버로 이러한 검출 사실을 전송하여 물체의 레벨 도달여부를 격지에서도 파악할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 결함 모니터링부(320)는, 상기 와치독타이머(WDT)(240)에서 출력되는 클럭 신호의 주기를 모니터링하여 센서 MCU의 고장이나 오류 여부를 파악하도록 구성된다.

상기 와치독타이머(WDT)(240)는 시스템이 고장나서 중단되거나 소프트웨어 오류로 무한루프에 빠지게 되는지 여부를 감시하기 위해, 시스템이 정상적으로 작동되는 동안에는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 미리 설정되어 있는 주기마다(예를 들어, 도 4의 (a)에서는 0.5s 주기를 나타냄) High와 Low가 반복되는 정상적인 클럭 신호를 송출하지만, 고장이나 오류가 발생된 경우에는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 더 이상 주기적인 클럭 신호가 아니라 High 또는 Low 상태가 지속되는 클럭 신호를 송출하게 된다.

이러한 와치독타이머(WDT)(240)는 임베디드 시스템에 적용되는 대부분의 CPU나 MCU 등에서 시스템 고장이나 오류에 대비하기 위해 구비되어 있는바, 상기 결함 모니터링부(320)는 이러한 와치독타이머(WDT)의 클럭 신호가 설정된 주기마다 High와 Low가 반복되는 정상적인 신호인지, 아니면 High 또는 Low 상태가 지속되는 오류 상태의 신호인지 여부를 파악하여 상기 센서 MCU의 고장 또는 오류 여부를 파악할 수 있도록 구성된다.

즉, 본 발명에서는 검출 감지부를 제외한 커패시터 등 대부분의 구성들이 센서 MCU 내부에 포함되어 있는바, 대부분의 고장이나 오류도 센서 MCU에서 발생하게 된다. 그에 따라, 발진회로, 검파회로, 적분회로, 증폭회로 및 출력회로 등의 다양하고 복잡한 소자들을 포함하고 있던 종래의 정전용량형 레벨 센서와는 달리 센서 MCU의 고장이나 오류 여부만을 모니터링하는 것만으로도 본 발명에 따른 정전용량형 레벨 센서의 고장이나 오류 여부를 파악할 수 있게 된다.

따라서, 상기 결함 모니터링부(320)는, 상기 와치독타이머(WDT)(240)에서 출력되는 클럭 신호가 미리 설정되어 있는 주기를 벗어나도록 High나 Low 상태를 유지하는 것으로 판단될 경우에는, 이를 센서 MCU의 고장으로 인지하여 정전용량형 레벨 센서에 구비되어 있는 자가진단 LED를 점등시켜 현장 관리자가 직관적으로 파악할 수 있게 함과 아울러, UART 등 미리 연결되어 있는 통신망을 통해 모니터링 서버로 이러한 고장 또는 오류 발생 사실을 전송하여 격지에서도 파악할 수 있도록 구성된다.

이와 같이 상기 결함 모니터링부(320)에서 상기 와치독타이머(WDT)(240)에서 출력되는 클럭 신호만으로 정전용량형 레벨 센서의 고장 여부를 신속하게 파악할 수 있게 되므로, 물체의 검출 실패를 통하여서만 사후적으로 센서의 고장여부를 파악할 수 있었던 종래의 정전용량형 레벨 센서와는 달리, 물체의 검출 실패가 발생하기 전에도 센서의 고장여부를 인지할 수 있어 적절한 교체 및 수리를 진행하는데 기여할 수 있게 된다.

이때, 상기 실시예에서는, 상기 결함 모니터링부가 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호가 High나 Low 상태를 3초 이상 유지하는 것으로 판단될 경우 이를 센서 MCU의 고장으로 판단하도록 설정하였는데, 이는 후술하는 바와 같이 상기 와치독타이머가 1초 주기로 반복되는 것을 노후화 상태를 알리는 자가진단 LED의 점멸신호로 활용하고, 상기 와치독타이머가 2초 주기로 반복되는 것을 센서의 이탈 상태를 알리는 자가진단 LED의 점멸신호로 활용하고 있는바, 그 이상의 주기로 와치독타이머의 출력이 유지될 경우에만 이를 센서 MCU의 고장으로 판단할 수 있게 하기 위함인 것이다. 따라서, 이처럼 고장으로 판단할 수 있는 와치독타이머의 클럭 신호 주기를 3초가 아닌 그보다 짧거나 긴 주기로 설정할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 센서 제어부(300)는, 상기 센서 MCU에서 반복 수행되는 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값을 측정하면서 이 값을 정전용량형 레벨 센서의 설치 초기에 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 최대 정전용량 값과 비교하여 그 감소 정도를 모니터링하는 노후화 모니터링부(330)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 센서 MCU의 내부에 구비되어 있는 내부 커패시터(220)는 물체가 검출되지 않는 동안에도 충전과 방전이 반복 수행되므로, 시간의 경과에 따라 노후화되면서 내부 커패시터에 충전될 수 있는 정전용량이 감소하게 된다.

그에 따라, 상기 노후화 모니터링부(330)에서는 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값이 감소되는 정도를 토대로 내부 커패시터의 노후화 정도를 판단한 후 그 판단 결과를 외부로 표출할 수 있도록 구성된다.

이를 위하여, 상기 노후화 모니터링부(330)에서는 정전용량형 레벨 센서의 설치 초기에 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값을 최대 정전용량 값으로 저장하고, 이를 100%의 값으로 하여 이후 사용기간이 경과하면서 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값과 비교하면서 그 감소 정도가 최대 정전용량 값의 60%이하로 감소되었을 경우 이를 노후화 상태로 판단하도록 구성된다.

이때, 상기 노후화 모니터링부(330)에서는 상기 검출 감지부에 물체가 접촉되어 감지가 이루어지는 상황에서의 최대 정전용량 값과 상기 검출 감지부에 물체가 접촉되지 않는 상황에서의 최대 정전용량 값을 모두 저장하고, 이후 노후화 정도를 판단하기 위한 정전용량 값의 모니터링도 상기 검출 감지부에 물체가 접촉되는 경우와 그렇지 않은 경우 모두에 대하여 이루어질 수 있게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시예에서는 노후화로 판단하기 위한 기준으로서 최대 정전용량 값의 60% 이하를 일예로 설명하였으나, 그 기준이 되는 정전용량의 저하정도를 최대 정전용량 값의 70% 또는 50% 등 정전용량형 레벨 센서가 사용되는 환경과 사용목적에 따라 달리 설정할 수도 있음은 물론이다.

이와 같이 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값의 감소 정도가 일정 수준, 예를 들어 최대 정전용량 값의 60% 이하 수준으로 산출되어 노후화 상태로 판단될 경우, 상기 노후화 모니터링부(330)는 이러한 모니터링 결과를 외부로 표출하기 위해 정전용량형 레벨 센서에 구비되어 있는 자가진단 LED를 일정 주기로 점멸시켜 현장 관리자가 직관적으로 파악할 수 있게 함과 아울러, UART 등 미리 연결되어 있는 통신망을 통해 모니터링 서버로 이러한 노후화 사실을 전송하여 격지에서도 파악할 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 노후화 모니터링부에서의 판단 결과에 따른 노후화 상태를 알리는 자가진단 LED가 점멸되는 동안에도 물체의 레벨을 감지하기 위한 검출 제어부를 비롯한 센서 MCU와 센서 제어부의 구동에 의한 동작은 계속 이루어지므로, 레벨 검출에 지장을 초래하지 않으면서도 노후화로 인한 교체시점을 적절히 선택하는데 기여할 수 있게 된다.

또한, 상기 센서 제어부(300)는, 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값이 설치 초기에 산출되었던 최대 정전용량 값의 80%에 도달하는 것으로 판단될 경우에는, 이러한 최대 정전용량 값의 80%에 상응하는 정전용량 값을 수정된 최대 정전용량 값으로 자동 교정(Calibration)하여 저장하는 자동 교정부(340)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 자동 교정부(340)에 의해 내부 커패시터가 충전되었을 때 산출되는 최대 정전용량 값이 수정된 최대 정전용량 값으로 자동 교정(Calibration)됨으로써, 상기 검출 제어부는 노후화로 인한 정전용량 값의 저하에 구애받지 않고 보다 높은 감도로 상기 검출 감지부에서의 물체 접촉시 발생되는 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 통한 정전용량 값의 변화를 판단할 수 있게 된다.

즉, 노후화로 인하여 정전용량 값이 감소될 경우 초기에 설정된 최대 정전용량 값을 기준으로 하면 검출 감지부에서의 물체 접촉시 산출되는 정전용량의 변화율이 크지 않을 수 있으나, 80% 수준으로 저하된 수정된 최대 정전용량 값을 기준으로 한다면 물체 접촉시 커패시터에서 야기되는 정전용량의 변화율을 보다 크게 감지할 수 있게 되므로, 커패시터의 노후화에 따른 감지 능력 저하를 방지할 수 있게 된다.

이때, 상기 자동 교정부(340)에 의해 최대 정전용량 값이 수정된 최대 정전용량 값으로 교정되더라도, 상기 노후화 모니터링부에서 노후화 상태 판단을 위한 기준이 되는 최대 정전용량 값은 정전용량형 레벨 센서 설치 초기에 산출되었던 값으로 유지됨은 물론이다.

또한, 상기 센서 제어부(300)는, 레벨을 측정하고자 하는 물체가 저장되어 있는 튜브 등에 설치된 검출 감지부가 고정된 위치에서 완전 이탈되어 튜브에 접촉하게 될 경우 산출되는 정전용량 값의 변화를 토대로 검출 감지부의 이탈여부를 모니터링하는 이탈 감지부(350)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 정전용량형 레벨 센서만 있을 경우에는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 낮은 정전용량 값이 산출되지만, 이러한 정전용량형 레벨 센서가 액체 없이 PFA 튜브 등에 설치되어 있는 상태에서는 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 조금 상승된 정전용량 값이 산출되고, 이러한 PFA 튜브 내에 액체가 채워져서 검출 감지부에서 액체와의 접촉이 이루어지는 경우에는 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 높은 정전용량 값이 산출되게 된다.

이와 같이, 각 경우에 산출되는 정전용량 값이 상이하므로, 상기 센서 제어부에서 산출된 정전용량 값이 PFA 튜브가 접촉되어 있는 상태의 값으로 산출될 경우에는 이를 설치된 검출 감지부가 이탈하여 바닥에 떨어지면서 PFA 튜브와의 접촉이 이루어진 것으로 판단할 수 있게 된다.

이와 같이 상기 이탈 감지부(350)에서 산출되는 정전용량 값을 토대로 검출 감지부가 이탈된 것으로 판단될 경우에는 이러한 감지 결과를 외부로 표출하기 위해 정전용량형 레벨 센서에 구비되어 있는 자가진단 LED를 일정 주기로 점멸시켜 현장 관리자가 직관적으로 파악할 수 있게 함과 아울러, UART 등 미리 연결되어 있는 통신망을 통해 모니터링 서버로 이러한 검출 감지부의 이탈 등 센서의 이탈 사실을 전송하여 격지에서도 파악할 수 있도록 구성된다.

이처럼 도 7에 도시된 바와 이 상기 검출 제어부에서의 판단결과는 검출 LED를 점등시켜 현장 관리자가 직관적으로 파악할 수 있게 하는 반면, 상기 결함 모니터링부와 노후화 모니터링부와 이탈 감지부의 결과는 각각의 판단 결과를 표출하기 위한 LED를 개별적으로 구비하는 대신 하나의 자가진단 LED를 이용하여 각 판단 결과를 외부로 포출할 수 있게 함이 바람직하다.

이를 위하여, 상기 센서 제어부에서는 각 판단 결과마다 자가진단 LED의 점멸 주기를 상이하게 설정함으로써, 하나의 자가진단 LED로 다양한 모니터링 결과를 외부로 표출할 수 있게 하였다. 이때, 상기 자가진단 LED를 점멸시키는 신호는 주기가 조절되어 출력되는 상기 와치독타이머의 클럭 신호에 의해 동기화될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 결함 모니터링부에서 결합이 있는 것으로 판단한 경우에는 자가진단 LED가 지속적으로 점등된 상태를 유지하거나 3초 이상의 주기로 점멸될 수 있게 하고, 상기 노후화 모니터링부에서 노후화 상태에 있는 것으로 판단한 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 와치독타이머가 1초 주기로 반복되는 클럭 신호를 출력하고 이러한 클럭 신호에 의해 자가진단 LED가 1초 주기로 점멸될 수 있게 하며, 상기 이탈 감지부에서 센서가 설치되어 있는 위치에서 이탈된 것으로 판단한 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 와치독타이머가 2초 주기로 반복되는 클럭 신호를 출력하고 이러한 클럭 신호에 의해 자가진단 LED가 2초 주기로 점멸될 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 센서 제어부에서의 각 판단 상태를 표출하기 위한 자가진단 LED의 점멸 주기를 상기 실시예에서 언급한 주기와 달리 설정할 수 있음은 물론이며, 각 판단 결과를 독립적으로 표출할 수 있는 개별 LED를 다수개 설치할 수도 있음은 물론이다.

이와 같이 본 발명은 지속적으로 충전과 방전을 반복하는 내부 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 토대로 검출 감지부에서의 물체 접촉 여부를 판단할 수 있게 함으로써, 내부 커패시터에 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값의 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있으므로 이러한 정전용량 값의 감소 정도를 모니터링함으로써 센서의 기능저하 상황을 파악할 수 있음은 물론, 센서 MCU 내부에서 자체적으로 출력되는 와치독타이머(WDT)의 출력을 모니터링함으로써 고장 여부를 파악할 수 있게 되는바, 물체의 레벨 감지를 위해 설치된 이후에도 레벨 감지에 실패한 이후의 사후적 조치가 아닌 센서의 노후화나 고장 발생시 사전적인 조치로서 교체 및 수리를 진행할 수 있어 센서의 사용환경에 대한 안전성을 향상시킴과 아울러 센서의 감지 결과에 대한 신뢰성도 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 검출 감지부
200 : 센서 MCU 210 : 전원부
220 : 내부 커패시터 230 : 접지
240 : 와치독타이머
300 : 센서 제어부 310 : 검출 제어부
320 : 결함 모니터링부 330 : 노후화 모니터링부
340 : 자동 교정부 350 : 이탈 감지부

Claims

검출하고자 하는 물체가 접촉될 수 있도록 튜브 내부에 설치되어 있는 전도성의 전극판으로 이루어진 검출 감지부;
상기 검출 감지부에 병렬 연결된 상태로 전원부에 의한 충전과 접지를 통한 방전이 일정 주기마다 반복 수행되는 내부 커패시터가 내장되어 있으며, 일정 주기의 클럭 신호를 출력하여 자체적인 오류여부를 감시하는 와치독타이머(WDT)가 구비되어 있는 센서 MCU; 및
상기 검출 감지부에서의 물체 접촉으로 인해 상기 내부 커패시터에서 발생되는 전압 변화를 토대로 산출되는 정전용량 값의 변화에 의해 물체의 접촉 여부를 검출하고, 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기 변화를 토대로 상기 센서 MCU의 오류여부를 모니터링하는 센서 제어부;가 포함되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.
제1항에 있어서,
상기 센서 제어부는,
상기 검출 감지부에서의 물체 접촉으로 야기되는 내부 커패시터에서의 전압 변화를 토대로 상기 검출 감지부의 정전용량 값을 산출하여 물체의 접촉 여부를 검출하는 검출 제어부; 및
상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호의 주기를 모니터링하여 상기 센서 MCU의 고장여부를 파악하는 결함 모니터링부;가 포함되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.
제2항에 있어서,
상기 결함 모니터링부는, 상기 와치독타이머(WDT)에서 출력되는 클럭 신호가 미리 설정되어 있는 주기를 벗어나도록 High나 Low 상태를 유지하는 것으로 판단될 경우, 이를 센서 MCU의 고장으로 인지하여 정전용량형 레벨 센서에 구비되어 있는 자가진단 LED를 점등시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.
제2항에 있어서,
상기 센서 제어부는, 상기 센서 MCU에서 반복 수행되는 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값을 측정하면서, 이 값을 정전용량형 레벨 센서의 설치 초기에 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 최대 정전용량 값과 비교하여 그 감소 정도를 모니터링하는 노후화 모니터링부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.
제4항에 있어서,
상기 노후화 모니터링부는, 정전용량형 레벨 센서의 설치 초기에 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때의 정전용량 값을 최대 정전용량 값으로 저장하고, 이를 100%의 값으로 하여 이후 사용기간이 경과하면서 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값이 상기 최대 정전용량 값의 일정 수준 이하로 감소되었을 경우 이를 노후화 상태로 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.
제4항에 있어서,
상기 센서 제어부는, 상기 내부 커패시터가 최대로 충전되었을 때 산출되는 정전용량 값이 설치 초기에 산출되었던 최대 정전용량 값의 일정 수준 이하에 도달하도록 저하된 것으로 판단될 경우, 일정 수준 이하로 저하된 정전용량 값을 수정된 최대 정전용량 값으로 자동 교정(Calibration)하여 저장하는 자동 교정부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.
제2항에 있어서,
상기 센서 제어부는, 상기 검출 감지부가 튜브에 접촉한 상태의 값으로 산출될 경우, 상기 검출 감지부가 설치되어 있던 위치에서 이탈된 것으로 판단하면서 검출 감지부의 이탈여부를 모니터링하는 이탈 감지부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자가진단이 가능한 정전용량형 레벨 센서.