WO2020204462A1 - 정전용량 방식을 이용하여 수위를 측정하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

정전용량 방식을 이용하여 수위를 측정하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2020204462A1
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이동섭
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한국건설기술연구원
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    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes

Definitions

  • the embodiment relates to a water level measuring apparatus, and more particularly, to an apparatus and method for measuring a water level using a capacitance method capable of accurate water level measurement.
  • a water level gauge is an instrument that measures the level of water in reservoirs and drainage basins.
  • Contact type includes immersion type, differential pressure type, capacitance type, and float type, and non-contact type includes ultrasonic type.
  • Water level meters are developed for the purpose of measuring river water levels or measuring high-precision water levels in laboratories, so the unit cost of individual water meters is very expensive, and functions to complement individual data are generally absent.
  • the capacitance-type water level meter consists of most circuits for measuring capacitance, which is a general electrical performance index for measuring instruments, and the precision of the capacitance measurement circuit mostly determines the performance of the water level meter.
  • the problem with the capacitance measurement method is that even if the performance of the measurement circuit is already fully guaranteed, the temporal change of the material applied to the sensor unit, that is, based on the value calibrated at the factory according to the aging or the condition of the medium to be measured.
  • the measurement object is limited to general distilled water or tap water.
  • Patent Document 1 Registered Patent Publication No. 10-1906305
  • the embodiment may provide an apparatus and a method for measuring a water level using a capacitance method capable of accurate water level measurement.
  • An apparatus for measuring a water level includes: an electrode unit including first and second electrodes arranged side by side in a longitudinal direction, and applying a voltage to the first electrode and the second electrode; A comparison unit measuring voltages applied to the first electrode and the second electrode, and determining a time point when the measured voltage coincides with a first voltage and a time point when the measured voltage coincides with the second voltage; And a time point in which the measured voltage coincides with the first voltage is set as a start point, and a point in time coincident with the second voltage is set as an end point, and the first voltage at the first voltage based on the set start point and end point And a control unit configured to calculate a reference charging time taken to reach the second voltage, and determine a water level based on the calculated reference charging time, wherein the first electrode is formed of a steel material, so that the first part and the first part It is formed in a'c' shape that separates the second part and the third part, which are respectively extended from both ends of, and the
  • the first voltage may be 0.5V
  • the second voltage may be 4.5V.
  • the reference charging time may be longer as the water level increases, and may be shorter as the water level decreases.
  • the control unit sets a point in time when the measured voltage coincides with the first voltage as a start point of the reference charging time, and sets a point in time when the measured voltage coincides with the second voltage as an end point of the reference charge time. Can be set.
  • the control unit calculates the reference charging time taken to reach the second voltage from the first voltage based on the determined start time and end time, converts the calculated reference charging time into capacitance, and the converted The water level can be determined based on the capacitance.
  • the electrode part may further include a connection part for connecting the first electrode and the second electrode and preventing the first electrode and the second electrode from being electrically connected.
  • At least a portion of the first electrode may be formed in a predetermined regular pattern.
  • the comparison unit is arranged side by side in the longitudinal direction, and is formed of a steel material so that the first part and the second part and the third part extend from both ends of the first part.
  • the control unit sets a point in time when the measured voltage coincides with the first voltage as a start point, and sets a point in time coincident with the second voltage as an end point, and at the first voltage based on the set start point and end point Calculating a reference charging time taken to reach the second voltage; And determining, by the control unit, a water level based on the calculated reference charging time, wherein the comparison unit uses
  • a point in time when the measured voltage coincides with the first voltage is set as a start point of the reference charging time, and a point in time when the measured voltage coincides with the second voltage is an end of the reference charge time. It can be set as a viewpoint.
  • the reference charging time taken to reach the second voltage from the first voltage is calculated based on the determined start time and end time, and the calculated reference charging time is converted into a capacitance. And the water level can be determined based on the converted capacitance.
  • a charging time taken to reach a predetermined first voltage to a second voltage is calculated, the calculated charging time is converted into a capacitance, and the water level is determined based on the converted capacitance.
  • the manufacturing cost can be reduced by a simple measurement method, and the reliability of the measurement result can be improved because the medium is not affected even by a simple structure.
  • the embodiment it is possible to remarkably reduce the maintenance burden for simple product configuration, so it is easy to configure a water level measurement network in buildings, etc. by installing a large number of water gauges, and the reliability of flood measurement is improved due to the configuration of such a number measurement network. Can be improved.
  • FIG. 1 is a view showing an apparatus for measuring a water level according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is diagrams illustrating a first shape of an electrode part shown in FIG. 1.
  • 3A to 3B are diagrams illustrating a second shape of the electrode part shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a view showing a detailed configuration of the measuring device shown in FIG.
  • 5A to 5C are diagrams for explaining a circuit implementing the comparison unit shown in FIG. 4 and an operating principle.
  • 6A to 6C are diagrams showing the amount of change in electrostatic capacity according to the water level.
  • FIG. 7A to 7B show a water level measuring apparatus actually implemented according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a method for measuring a water level according to an embodiment of the present invention.
  • ordinal numbers such as second and first, may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a second component may be referred to as a first component, and similarly, a first component may be referred to as a second component.
  • the term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • FIG. 1 is a view showing an apparatus for measuring a water level according to an embodiment of the present invention.
  • an apparatus for measuring a water level may include an electrode unit 100 and a measuring device 200.
  • the electrode unit 100 may include a pair of electrodes 110 and 120 disposed in the longitudinal direction.
  • a pair of electrodes 110 and 120 are formed to be arranged side by side in the longitudinal direction, and the first electrode 110 connected to the (-) power source and the second electrode 120 connected to the (+) power source or (+) It may include a first electrode 110 connected to power and a second electrode 120 connected to (-) power.
  • the first electrode 110 and the second electrode 120 may be spaced apart from each other by a predetermined interval and are disposed side by side in a length direction to form a capacitor capable of obtaining a capacitance. At this time, at least a portion of the first electrode 110 and the second electrode 120 is maintained in a state that is always submerged in water, and the capacitance may vary according to the level of the submerged water, that is, the length of the submerged part.
  • the meter 200 is connected to the pair of electrodes 110, measures a voltage applied to the pair of electrodes 110, and calculates a charging time based on the measured voltage.
  • the meter 200 may determine a start time point in which the measured voltage coincides with a first voltage set as a lower reference voltage, and an end time point coincides with a second voltage set as an upper reference voltage.
  • the first voltage and the second voltage are preset threshold voltages, for example, the first voltage is 0.5V and the second voltage is 4.5V.
  • the first voltage 0.5V, which is the lower reference voltage, and the second voltage 4.5V, which is the upper reference voltage are described as examples, and are not necessarily limited thereto and may be changed as necessary.
  • the meter 200 may calculate a reference charging time based on the determined start time and end time, convert the calculated reference charging time into capacitance, and determine the level of the object to be measured based on the converted capacitance. .
  • FIG. 1 is diagrams illustrating a first shape of an electrode part shown in FIG. 1.
  • the electrode unit may include a pair of first electrodes 110 and second electrodes 120 spaced apart from each other and disposed side by side in a length direction.
  • the first electrode 110 may be formed as a'U' shaped electrode.
  • the first electrode 110 may be formed of an electrode made of an uncoated steel material such as stainless steel or an alloy material for preventing rust due to contact with water to withstand fluid pressure.
  • the second electrode 120 is connected to both ends of the first electrode 110 and may be formed of a wire that is not covered with an insulating material.
  • a conductor such as copper, aluminum, or silver may be used.
  • connection unit 130 made of a material through which no current flows may be provided to be connected to each other.
  • the connection part 130 may be formed of, for example, a plastic material.
  • the first electrode 110 is divided into a first portion facing the second electrode 120 and a second portion and a third portion extending from both ends of the first portion, and the first portion is formed of a steel material.
  • the second portion and the third portion may be formed of a material other than steel.
  • (+) power may be connected to the first electrode 110 and (-) power may be connected to the second electrode 120.
  • the (-) power may be connected to the first electrode 110.
  • Power may be connected, and a (+) may be connected to the second electrode 120.
  • 3A to 3B are diagrams illustrating a second shape of the electrode part shown in FIG. 1.
  • the electrode unit according to an embodiment of the present invention includes a pair of first electrodes 110' and 110 ⁇ and second electrodes 120' and 120 ⁇ on top of the base film 100a. ) Can be arranged side by side in the longitudinal direction.
  • the base film 100a may be, for example, a Teflon film.
  • first electrodes 110 ′ and 110 ⁇ and the second electrodes 120 ′ and 120 ⁇ may be formed in the same shape or in different shapes.
  • the first electrode 110 ′ and the second electrode 120 ′ may be formed in the same shape.
  • the first electrode 110 ′ and the second electrode 120 ′ may be formed of wires.
  • the first electrode 110 ⁇ and the second electrode 120 ⁇ may be formed in different shapes. At least a portion of the first electrode 110 ′ may be formed in a predetermined pattern.
  • the predetermined pattern may be a regularly formed pattern. Since this predetermined pattern increases the band of capacitance, measurement accuracy can be improved.
  • the first electrode 110 may be formed of an electrode made of an uncoated steel material such as stainless steel or an alloy material for preventing rust due to contact with water to withstand fluid pressure.
  • the second electrode 120 may be formed of a thin film type wire that is not covered with an insulating material.
  • positive power may be connected to the first electrodes 110 ′ and 110 ⁇
  • negative power may be connected to the second electrodes 120 ′ and 120 ⁇
  • a negative power may be connected to the first electrodes 110 ′ and 110 ⁇
  • a positive power may be connected to the second electrodes 120 ′ and 120 ⁇ .
  • FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of the measuring device shown in FIG. 1, and FIGS. 5A to 5C are diagrams for explaining a circuit implementing the comparison unit shown in FIG. 4 and an operating principle.
  • the measuring device 200 includes a comparison unit 210, a control unit 220, a communication unit 230, a charger/discharger 240, and a power supply unit 250. ) Can be included.
  • the comparison unit 210 is connected to a pair of electrodes, that is, the voltage applied to the first electrode 110 and the second electrode 120 by being connected to one end of the first electrode 110 and the second electrode 120 in real time. Can be measured.
  • the comparison unit 210 may accurately determine a time point when the measured voltage coincides with the first voltage and an exact time point when the measured voltage coincides with the second voltage by measuring the voltage in real time.
  • a circuit for determining when the measured voltage coincides with the first voltage using a comparator and a circuit for determining when the measured voltage coincides with the second voltage are implemented.
  • the comparator may be implemented to output a high signal when the input voltage matches the first voltage, and output a low signal when the input voltage does not match.
  • the time when the voltage is measured coincides with the first voltage or the second voltage Since it may not be exactly the same, if the voltage applied in real time is directly input as an input value of the comparator as in the embodiment, it is possible to accurately determine the time point coincident with the first voltage or the second voltage.
  • control unit 220 calculates a reference charging time based on the start time and end time determined by the comparison unit 210, and converts the calculated reference charging time into a capacitance to calculate the converted capacitance. You can determine the level of the object you want to measure as a basis.
  • the communication unit 230 may wirelessly transmit the water level of the target determined by the control unit 220 to an external device, and may receive a control signal related to water level measurement from the external device.
  • the charging/discharging unit 240 may charge or discharge voltages in the first electrode 110 and the second electrode 120.
  • the power supply unit 250 may supply power.
  • the power supply unit 250 may supply power for generating capacitance to the electrode as well as power for operating the control unit 220.
  • 6A to 6C are diagrams showing the amount of change in electrostatic capacity according to the water level.
  • a voltage applied to a pair of electrodes 110 and 120 may be measured and the measured voltage may be converted into a capacitance.
  • the measured capacitance is proportional to the voltage, and it can be seen that the degree to which the voltage rises with time varies depending on the degree 1, 2, and 3 of the pair of electrodes 110 and 120 immersed in water.
  • the water level may be determined based on a time from a predetermined lower reference voltage of 0.5V to an upper reference voltage of 4.5V, that is, a reference charging time.
  • a time from 0.5V to 4.5V is determined as the reference charging time is described as an example, but the present invention is not limited thereto and may be changed as necessary.
  • FIG. 7A to 7B show a water level measuring apparatus actually implemented according to an embodiment of the present invention.
  • a water level measuring apparatus actually implemented according to an embodiment of the present invention, it is composed of an electrode unit 100 made of a pair of electrodes and a measuring device 200 for determining the water level.
  • FIG. 7B an enlarged view of the electrode part 100 of FIG. 7A is shown.
  • the electrode part 100 is located at both ends of the first electrode 110 and the first electrode 110 in the shape of a'c'.
  • the second electrode 120 is connected.
  • FIG. 8 is a diagram showing a method for measuring a water level according to an embodiment of the present invention.
  • an apparatus for measuring a water level according to an embodiment of the present invention may measure the applied voltage when a voltage is applied to a pair of electrodes (S610). .
  • the water level measuring device may check whether the measured voltage matches the first voltage set as the lower reference voltage (S620).
  • the water level measurement apparatus may set a point in time coincident with the first voltage as a start point of the reference charging time (S640).
  • the water level measuring device may store the set start time (S642).
  • the water level measuring device may check whether the measured voltage matches the second voltage set as the upper reference voltage (S650).
  • the water level measurement apparatus may set a point at which the converted voltage coincides with the second voltage as an end point of the reference charging time (S660).
  • the water level measuring device may store the set end time (S662).
  • the water level measuring apparatus may calculate a reference charging time taken to reach the first voltage to the second voltage based on the set start and end times (S670).
  • the water level measuring device may convert the calculated reference charging time into capacitance.
  • the water level measuring device may determine the water level based on the converted capacitance (S680). Then, the water level measuring device transmits the determined water level information of the object to be measured to an external device, so that the manager can check the water level information through the device.
  • the water level measuring device can discharge all the voltages charged in the pair of electrodes.
  • the reason for discharging the charged voltage is to measure the water level again later.
  • the term' ⁇ unit' used in this embodiment refers to software or hardware components such as field-programmable gate array (FPGA) or ASIC, and' ⁇ unit' performs certain roles. However,' ⁇ part' is not limited to software or hardware.
  • The' ⁇ unit' may be configured to be in an addressable storage medium, or may be configured to reproduce one or more processors.
  • ' ⁇ unit' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, properties, and procedures. , Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, database, data structures, tables, arrays, and variables.
  • components and functions provided in the' ⁇ units' may be combined into a smaller number of elements and' ⁇ units', or may be further divided into additional elements and' ⁇ units'.
  • components and' ⁇ units' may be implemented to play one or more CPUs in a device or a security multimedia card.
  • control unit 220 control unit

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Abstract

실시예에 의한 정전용량 방식을 이용하여 수위를 측정하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다. 상기 수위를 측정하기 위한 장치는 길이 방향으로 나란히 배치된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압이 인가되는 전극부; 및 상기 인가된 전압을 측정하고 상기 측정된 전압을 기초로 미리 결정된 제1 전압에서 제2 전압까지 도달하는데 걸린 기준 충전 시간을 산출하고, 상기 산출된 기준 충전 시간을 기초로 상기 수위를 결정하는 제어부를 포함한다.

Description

정전용량 방식을 이용하여 수위를 측정하기 위한 장치 및 그 방법
실시예는 수위 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정확한 수위 측정이 가능한 정전용량 방식을 이용하여 수위를 측정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
수위계는 저수지, 배수지 등의 수위를 측정하는 계기로 접촉식과 비접촉식이 있으며 액위측정계라고도 합니다. 접촉식에는 투입식, 차압식, 정전용량식, 플로트식 등이 있으며, 비접촉식에는 초음파식이 있다. 수위계는 하천 수위를 측정하거나 실험실에서 고정밀도 수위를 측정하기 위한 목적으로 개발되어 개별 수위계의 단가가 매우 비싸며 개별 데이터를 상호 보완할 수 있는 기능은 대체로 부재한 상황이다.
특히, 정전용량 방식의 수위계는 계측 기구에 일반적인 전기적 성능 지표인 정전용량을 측정하는 회로가 대부분 구성되어 있으며, 정전용량 측정 회로의 정밀도가 수위계의 성능을 대부분 결정한다.
이에 따라 이미 오래전부터 측정 원리가 알려진 정전용량 측정 회로의 정밀도를 높이기 위한 기술 개발이 이루어지고 있으며, 공정 관리를 제외한 대부분은 거의 완결된 상태이다.
그러나 정전용량 측정 방식의 문제점은 이미 측정 회로의 성능이 완벽하게 보장된 상태라도 센서부에 적용된 재료의 시간적인 변화 즉, 노화나 측정 대상이 되는 매질의 상태에 따라 공장에서 캘리브레이션된 값을 기준으로 측정시 오히려 정확한 측정값이 나오지 않으며, 측정 대상도 일반 증류수나 수도물 등으로 한정된다는 한계가 있다.
따라서 이러한 정전용량 측정 방식의 적용상의 문제점을 해결하고 수위 측정 네트워크를 고려한 새로운 방식의 수위 측정 장치를 개발할 필요성이 대두되고 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-1906305호
실시예는 정확한 수위 측정이 가능한 정전용량 방식을 이용하여 수위를 측정하기 위한 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 장치는 길이 방향으로 나란히 배치된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압이 인가되는 전극부; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점과 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 비교부; 및 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점을 시작 시점으로 설정하고 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 종료 시점으로 설정하고, 상기 설정된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압까지 도달하는데 걸린 기준 충전 시간을 산출하고, 상기 산출된 기준 충전 시간을 기초로 수위를 결정하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전극은 스틸 재질로 형성되어 제1 부분과 상기 제1 부분의 양단에서 각각 연장 형성된 제2 부분과 제3 부분을 구분되는 ‘ㄷ’자 형태로 형성되고, 상기 제2 전극은 전선으로 형성되어 상기 제1 전극의 상기 제2 부분과 상기 제3 부분의 끝단에 연결되고, 상기 비교부는 비교기를 이용하여 상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로와 상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로로 구현될 수 있다.
상기 제1 전압은 0.5V이고, 상기 제2 전압은 4.5V일 수 있다.
상기 기준 충전 시간은 상기 수위가 높아질수록 길어지고, 상기 수위가 낮아질수록 짧아질 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 시작 시점으로 설정하고, 상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 종료 시점으로 설정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 판단된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압까지 도달하는데 걸린 상기 기준 충전 시간을 산출하고, 상기 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산하고 상기 환산된 정전용량을 기초로 상기 수위를 결정할 수 있다.
상기 전극부는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 전기적으로 연결되지 않도록 하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 적어도 일부분은 미리 정해진 규칙적인 패턴으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 방법은 비교부가 길이 방향으로 나란히 배치되되, 스틸 재질로 형성되어 제1 부분과 상기 제1 부분의 양단에서 연장된 제2 부분과 제3 부분을 구분되는 ‘ㄷ’자 형태로 형성된 제1 전극과 전선으로 형성되어 상기 제1 전극의 상기 제2 부분과 상기 제3 부분의 끝단에 연결된 제2 전극에 인가되는 전압을 측정하는 단계; 상기 비교부가 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점과 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 단계; 제어부가 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점을 시작 시점으로 설정하고 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 종료 시점으로 설정하고, 상기 설정된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압까지 도달하는데 걸린 기준 충전 시간을 산출하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 산출된 기준 충전 시간을 기초로 수위를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 비교부는 비교기를 이용하여 상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로와 상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로로 구현될 수 있다.
상기 산출하는 단계에서는 상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 시작 시점으로 설정하고, 상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 종료 시점으로 설정할 수 있다.
상기 산출하는 단계에서는 상기 판단된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압까지 도달하는데 걸린 상기 기준 충전 시간을 산출하고, 하고, 상기 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산하고 상기 환산된 정전용량을 기초로 상기 수위를 결정할 수 있다.
실시예에 따르면, 전압이 인가되는 경우 미리 결정된 제1 전압에서 제2 전압까지 도달하는데 걸린 충전 시간을 산출하고 산출된 충전 시간을 정전용량으로 환산하고 환산된 정전용량을 기초로 수위를 결정하도록 함으로써, 회로의 정밀도를 올리는 노력을 최소화하더라도 간단한 측정 방식으로 정확한 수위 측정이 가능할 수 있다.
실시예에 따르면, 간단한 측정 방식으로 제작 단가를 낮출 수 있으며, 간단한 구조로도 매질에 대한 영향을 받지 않아 측정 결과에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 간단한 제품 구성에 대한 유지보수 부담을 현저히 줄일 수 있어 다량의 수위계를 설치하여 건물 등에 수위 측정 네트워크의 구성이 용이하고, 이러한 수의 측정 네트워크의 구성으로 인해 침수 측정에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 도 1에 도시된 전극부의 제1 형태를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 도 1에 도시된 전극부의 제2 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 측정기의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 비교부를 구현한 회로 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 수위에 따른 정전 용량의 변화량을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 구현된 수위 측정 장치를 보여주고 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 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, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
실시예에서는, 전압이 인가되는 경우 미리 결정된 제1 전압에서 제2 전압까지 도달하는데 걸린 충전 시간을 산출하고 산출된 충전 시간을 정전용량으로 환산하고 환산된 정전용량을 기초로 수위를 결정하도록 한, 새로운 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 장치는 전극부(100), 측정기(200)를 포함할 수 있다.
전극부(100)는 길이 방향으로 배치된 한 쌍의 전극(110, 120)을 포함할 수 있다.
한 쌍의 전극(110, 120)은 길이 방향으로 나란히 배치되도록 형성되고, (-) 전원에 연결되는 제1 전극(110)과 (+) 전원에 연결되는 제2 전극(120) 또는 (+) 전원에 연결되는 제1 전극(110)과 (-) 전원에 연결되는 제2 전극(120)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 소정 간격 이격되고 길이 방향으로 나란히 배치되어 정전 용량을 얻을 수 있는 커패시터(capacitor)를 형성할 수 있다. 이때, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 적어도 일부가 상시 물에 잠겨 있는 상태를 유지하고, 잠긴 물의 수위 즉, 물에 잠긴 부분의 길이에 따라 정전용량이 달라질 수 있다.
측정기(200)는 한 쌍의 전극(110)에 연결되고, 한 쌍의 전극(110)에 인가되는 전압을 측정하고, 그 측정된 전압을 기초로 충전 시간을 산출할 수 있다.
예컨대, 측정기(200)는 측정된 전압이 하위 기준 전압으로 설정된 제1 전압과 일치하는 시작 시점, 상위 기준 전압으로 설정된 제2 전압과 일치하는 종료 시점을 판단할 수 있다. 여기서, 제1 전압과 제2 전압은 미리 설정된 임계 전압으로, 예컨대, 제1 전압은 0.5V이고, 제2 전압은 4.5V로 설정하는 것이 바람직하다. 이때, 하위 기준 전압인 제1 전압 0.5V과 상위 기준 전압인 제2 전압 4.5V은 일 예로 설명하고 있을 뿐 반드시 이에 한정되지 않고 필요에 따라 변경될 수 있다.
측정기(200)는 판단된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 기준 충전 시간을 산출하고, 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산하여 환산된 정전용량을 기초로 측정하고자 하는 대상의 수위를 결정할 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 도 1에 도시된 전극부의 제1 형태를 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극부는 한 쌍의 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 소정 간격 이격되어 길이 방향으로 나란히 배치될 수 있다.
제1 전극(110)은 'ㄷ'자 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 제1 전극(110)은 유체 압력 등에 버틸 수 있도록 피복되지 않은 스틸 재질 예컨대, 물과의 접촉에 의한 녹 방지를 위한 스테인리스나 합금 재질의 전극으로 형성될 수 있다.
제2 전극(120)은 제1 전극(110)의 양단에 연결되고, 절연 물질로 피복되지 않은 전선으로 형성될 수 있다. 이러한 전선의 재료로는 예컨대, 구리, 알루미늄, 은 등의 도체가 사용될 수 있다.
이때, 제1 전극(110)의 양단에 제2 전극(120)이 직접 연결되는 경우 단락(short)이 일어나기 때문에, 전류가 흐르지 않는 재질의 연결부(130)가 구비되어 서로 연결될 수 있다. 연결부(130)는 예컨대, 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
또한 제1 전극(110)은 제2 전극(120)과 마주보는 제1 부분과 제1 부분의 양단 각각에서 연장 형성된 제2 부분과 제3 부분으로 구분되는데, 제1 부분은 스틸 재질로 형성되고 제2부분과 제3 부분은 스틸 재질이 아닌 다른 재질로 형성될 수 있다.
또한 도 2a와 같이 제1 전극(110)에는 (+) 전원이 연결되고 제2 전극(120)에는 (-)는 전원이 연결될 수 있지만, 반대로 도 2b와 같이 제1 전극(110)에는 (-) 전원이 연결되고 제2 전극(120)에는 (+)는 전원이 연결될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 도 1에 도시된 전극부의 제2 형태를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극부는 베이스 필름(100a)의 상부에 한 쌍의 제1 전극(110', 110˝)과 제2 전극(120', 120˝)이 길이 방향으로 나란히 배치될 수 있다.
이때, 베이스 필름(100a)은 예컨대, 테프론(Teflon) 필름이 사용될 수 있다.
여기서 제1 전극(110', 110˝)과 제2 전극(120', 120˝)은 동일한 형태로 형성되거나 서로 다른 형태로 형성될 수 있다.
그 일예로, 도 3a를 참조하면, 제1 전극(110')과 제2 전극(120')은 동일한 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(110')과 제2 전극(120')은 전선으로 형성될 수 있다.
다른 예로, 도 3b를 참조하면, 제1 전극(110˝)과 제2 전극(120˝)은 서로 다른 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(110')의 적어도 일부분은 미리 정해진 패턴으로 형성될 수 있다. 이때, 미리 정해진 패턴은 규칙적으로 형성된 패턴일 수 있다. 이러한 미리 정해진 패턴은 정전용량의 대역을 높이기 때문에 측정 정확도가 향상될 수 있다.
제1 전극(110)은 유체 압력 등에 버틸 수 있도록 피복되지 않은 스틸 재질 예컨대, 물과의 접촉에 의한 녹 방지를 위한 스테인리스나 합금 재질의 전극으로 형성될 수 있다.
제2 전극(120)은 절연 물질로 피복되지 않은 박막 형태의 전선으로 형성될 수 있다.
또한 도 3a 내지 도 3b와 같이 제1 전극(110', 110˝)에는 (+) 전원이 연결되고 제2 전극(120', 120˝)에는 (-)는 전원이 연결될 수 있지만, 반대로 도 3b와 같이 제1 전극(110', 110˝)에는 (-) 전원이 연결되고 제2 전극(120', 120˝)에는 (+)는 전원이 연결될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 측정기의 상세한 구성을 나타내는 도면이고, 도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 비교부를 구현한 회로 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정기(200)는 비교부(210), 제어부(220), 통신부(230), 충방전부(charger/discharger)((240), 전원부(250)를 포함할 수 있다.
비교부(210)는 한 쌍의 전극 즉, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)의 일단에 연결되어 제1 전극(110)과 제2 전극(120)에 인가되는 전압을 실시간으로 측정할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 비교부(210)는 전압을 실시간으로 측정하여 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점과 제2 전압과 일치하는 정확한 시점을 정확히 판단할 수 있다.
여기서는 비교기를 이용하여 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로와 측정된 전압이 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로룰 구현한다.
예컨대, 비교기는 입력된 전압이 제1 전압과 일치하는 경우 하이(high) 신호를 출력하고, 반대로 일치하지 않는 경우 로우(low) 신호를 출력하도록 구현될 수 있다.
부연 설명하면, 전압 센서를 이용하여 전압을 주기적으로 측정하여 그 측정된 전압을 이용하여 충전 시간을 산출하게 되면 전압을 측정한 시점이 제1 전압과 일치하는 시점 또는 제2 전압과 일치하는 시점과 정확히 일치하지 않을 수 있기 때문에 실시예와 같이 실시간으로 인가되는 전압을 비교기의 입력값으로 바로 입력하면 제1 전압과 일치하는 시점 또는 제2 전압과 일치하는 시점을 정확히 판단할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제어부(220)는 비교부(210)에 판단된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 기준 충전 시간을 산출하고, 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산하여 환산된 정전용량을 기초로 측정하고자 하는 대상의 수위를 결정할 수 있다.
통신부(230)는 제어부(220)에 의해 결정된 대상의 수위를 외부의 기기로 무선 전송하고, 외부의 기기로부터 수위 측정과 관련된 제어 신호를 수신할 수 있다.
충방전부(240)는 제1 전극(110)과 제2 전극(120)에 전압을 충전하거나 방전할 수 있다.
전원부(250)는 전원을 공급할 수 있다. 이때, 전원부(250)는 제어부(220)를 동작시키기 위한 전원뿐 아니라 전극에 정전용량을 발생시키기 위한 전원을 공급할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 수위에 따른 정전 용량의 변화량을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는 한 쌍의 전극(110, 120)에 인가된 전압을 측정하여 측정된 전압을 정전용량으로 환산할 수 있다.
이때, 측정되는 정전 용량은 전압에 비례하며, 한 쌍의 전극(110, 120)의 물에 잠긴 정도 ①, ②, ③에 따라 시간에 따라 전압이 상승하는 정도가 달라짐을 알 수 있다.
도 6c를 참조하면, ①과 같이 수위가 낮아 측정되는 정전 용량이 낮은 경우 전압이 완만히 상승하여 하위 기준 전압 0.5V에서 상위 기준 전압 4.5V에 도달하는 시간이 t1으로 가장 짧아지고, ③과 같이 수위가 높아 측정되는 정전 용량이 높은 경우 전압이 급격히 상승하여 하위 기준 전압 0.5V에서 상위 기준 전압 4.5V에 도달하는 시간이 t3으로 길어짐을 알 수 있다.
따라서 본 발명에서는 미리 정해진 하위 기준 전압 0.5V에서 상위 기준 전압 4.5V에 도달하는 시간 즉, 기준 충전 시간을 기초로 물의 수위를 결정할 수 있다. 여기서는 0.5V에서 4.5V에 도달하는 시간을 기준 충전 시간으로 결정한 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 필요에 따라 변경될 수 있다.
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 구현된 수위 측정 장치를 보여주고 있다.
도 7a을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 구현된 수위 측정 장치로서, 한 쌍의 전극으로 이루어진 전극부(100)와 수위를 결정하는 측정기(200)로 구성되어 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 도 7a의 전극부(100)를 확대하여 보여주고 있는데, 전극부(100)는 'ㄷ'자 형태의 제1전극(110)과 제1 전극(110)의 양단에 제2 전극(120)이 연결되어 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수위를 측정하기 위한 장치(이하 수위 측정장치라고 한다)는 한 쌍의 전극에 전압이 인가되면, 인가된 전압을 측정할 수 있다(S610).
다음으로, 수위 측정장치는 측정된 전압이 하위 기준 전압으로 설정된 제1 전압과 일치하는지를 확인할 수 있다(S620). 수위 측정 장치는 변환된 전압이 제1 전압과 일치하면, 제1 전압과 일치하는 시점을 기준 충전 시간의 시작 시점으로 설정할 수 있다(S640).
이때, 수위 측정 장치는 설정된 시작 시점을 저장할 수 있다(S642).
다음으로, 수위 측정장치는 측정된 전압이 상위 기준 전압으로 설정된 제2 전압과 일치하는지를 확인할 수 있다(S650). 수위 측정 장치는 변환된 전압이 제2 전압과 일치하면, 제2 전압과 일치하는 시점을 기준 충전 시간의 종료 시점으로 설정할 수 있다(S660).
이때, 수위 측정 장치는 설정된 종료 시점을 저장할 수 있다(S662).
다음으로, 수위 측정장치는 설정된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 제1 전압에서 제2 전압까지 도달하는데 걸린 기준 충전 시간을 산출할 수 있다(S670).
다음으로, 수위 측정장치는 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산할 수 있다.
다음으로, 수위 측정장치는 환산된 정전용량을 기초로 수위를 결정할 수 있다(S680). 그리고나서, 수위 측정장치는 이렇게 결정된 측정하고자 하는 대상의 수위 정보를 외부의 기기에 전송함으로써, 관리자는 기기를 통해 수위 정보를 확인할 수 있다.
다음으로, 수위 측정장치는 한 쌍의 전극에 충전된 전압을 모두 방전시킬 수 있다. 이렇게 충전된 전압을 방전시키는 이유는 나중에 다시 수위를 측정하기 위함이다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
100: 전극부
110: 제1 전극
120: 제2 전극
130: 연결부
200: 측정기
210: 비교부
220: 제어부
230: 통신부
240: 충방전부
250: 전원부

Claims (10)

  1. 길이 방향으로 나란히 배치된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압이 인가되는 전극부;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점과 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 비교부; 및
    상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점을 시작 시점으로 설정하고 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 종료 시점으로 설정하고, 상기 설정된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압까지 도달하는데 걸린 기준 충전 시간을 산출하고, 상기 산출된 기준 충전 시간을 기초로 수위를 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 전극은 스틸 재질로 형성되어 제1 부분과 상기 제1 부분의 양단에서 각각 연장 형성된 제2 부분과 제3 부분으로 구분되는 ‘ㄷ’자 형태로 형성되고,
    상기 제2 전극은 전선으로 형성되어 상기 제1 전극의 상기 제2 부분과 상기 제3 부분의 끝단에 연결되고,
    상기 비교부는 비교기를 이용하여 상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로와 상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로로 구현된, 수위를 측정하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압은 0.5V이고, 상기 제2 전압은 4.5V인, 수위를 측정하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준 충전 시간은 상기 수위가 높아질수록 길어지고, 상기 수위가 낮아질수록 짧아지는, 수위를 측정하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 시작 시점으로 설정하고,
    상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 종료 시점으로 설정하는, 수위를 측정하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산하고,
    상기 환산된 정전용량을 기초로 상기 수위를 결정하는, 수위를 측정하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 전기적으로 연결되지 않도록 하는 연결부를 더 포함하는, 수위를 측정하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 일부분은 미리 정해진 규칙적인 패턴으로 형성된, 수위를 측정하기 위한 장치.
  8. 비교부가 길이 방향으로 나란히 배치되되, 스틸 재질로 형성되어 제1 부분과 상기 제1 부분의 양단에서 연장된 제2 부분과 제3 부분을 구분되는 ‘ㄷ’자 형태로 형성된 제1 전극과 전선으로 형성되어 상기 제1 전극의 상기 제2 부분과 상기 제3 부분의 끝단에 연결된 제2 전극에 인가되는 전압을 측정하는 단계;
    상기 비교부가 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점과 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 단계;
    제어부가 상기 측정된 전압이 제1 전압과 일치하는 시점을 시작 시점으로 설정하고 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 종료 시점으로 설정하고, 상기 설정된 시작 시점과 종료 시점을 기초로 상기 제1 전압에서 상기 제2 전압까지 도달하는데 걸린 기준 충전 시간을 산출하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 산출된 기준 충전 시간을 기초로 수위를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 비교부는 비교기를 이용하여 상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로와 상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 판단하는 회로로 구현된, 수위를 측정하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산출하는 단계에서는,
    상기 측정된 전압이 상기 제1 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 시작 시점으로 설정하고,
    상기 측정된 전압이 상기 제2 전압과 일치하는 시점을 상기 기준 충전 시간의 종료 시점으로 설정하는, 수위를 측정하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 산출된 기준 충전 시간을 정전용량으로 환산하고,
    상기 환산된 정전용량을 기초로 상기 수위를 결정하는, 수위를 측정하기 위한 방법.
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