KR20040045611A - 복합형 유량 감지 장치 및 방법 - Google Patents

복합형 유량 감지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유량계나 열량계, 전력량계, 자동차 미터기 등의 회전체에서 회전량을 감지하는 센서를 적은 전력 소모로 느린 회전량에서 고속 회전량까지 정확하게 감지할 수 있도록 구성된 복합형 유량 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합형 유량 감지 장치(100)는 전원부(110), 센서 도체(120), 센서 코일(130), 센서 구동회로(140), 주제어부(150), 임펠러(160), 수도관(170) 등을 포함한다.
본 발명에 의하면, 적은 전력 소모로 회전체의 회전량 또는 물체의 이동을 감지할 수 있으며, 적은 전력 소모로 느린 회전체의 회전량에서 고속 회전체의 회전량까지 정확히 감지할 수 있다.
또한, 회로 구성의 간단함으로 저가격으로 감지 센서 장치를 구성할 수 있으며, 전자식 수도 미터 등을 저가격으로 보급할 수 있다.

Description

복합형 유량 감지 장치 및 방법{Complex Type Flux Censing Apparatus and Method}
본 발명은 복합형 유량 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유량계나 열량계, 전력량계, 자동차 미터기 등의 회전체에서 회전량을 감지하는 센서를 적은 전력 소모로 느린 회전량에서 고속 회전량까지 정확하게 감지할 수 있도록 구성된 복합형 유량 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유량계, 예컨대, 수도 미터기의 유량 감지 센서의 구성은 기본적으로, 수도물이 흐르는 수도관, 수도물의 흐름을 전기적인 신호로 검출하는 센서부, 검출한 신호를 연산하는 연산부 등을 포함해 구성된다. 이러한 구성을 갖는 유량 감지 센서의 유량 검출 방식에는 능동형과 수동형이 있다.
능동형 유량 감지 센서는 센서 소자로서 자성체에 반응하는 홀 소자와 자기저항(Magnetic Resistance, 이하 "MR"이라 칭함) 소자를 이용한다. 유량의 흐름에 따라 회전하는 임펠러에 자성체를 달고 이 자성체의 접근을 홀소자나 MR 소자를 이용하여 검출하고 이를 토대로 임펠러의 회전수를 계산하며, 이 회전수를 연산하여 유량을 검출하는 방식을 사용한다. 이는 홀소자나 MR 소자를 센서로 사용할 때 전원을 가해주어야 센서가 동작하는 원리 때문에 "능동형"으로 불리운다. 주로 일본전자식 수도미터에 많이 적용된다. 이 방식의 단점은 전력 소모가 많기 때문에 임펠러의 회전 속도를 사전에 추정하여 속도가 느릴 때는 센서의 전원을 끊거나 하는 방식으로 전력 소모를 줄이게 된다.
수동형 유량 감지 센서는 발전기의 원리를 이용하여 임펠러의 회전수를 감지하는 방식이다. 임펠러에 회전판을 여러 개로 형성하고, 각각의 회전판은 자석의 N 극과 S 극으로 교대로 배열시키고 감지 센서로는 코일을 이용한다. 따라서 임펠러가 회전함에 따라 코일 주위에 N 극과 S 극이 번갈아 접근하며, 이는 코일에 기전력을 일으켜 N 극과 S 극의 교차 속도에 따른 주파수와 자극의 세기에 따른 레벨을 가진 신호를 발생시키게 된다. 이 신호를 연산부에서 판별하여 임펠러의 회전수를 판단하는데, 이때 센서 소자로 단순 코일만 이용하고 전원은 외부에서 공급하는 것이 아니라 임펠러의 회전력으로 신호를 발생시키기 때문에 수동형 유량 감지 센서라 불리운다. 이는 유럽 전자식 수도미터에 많이 적용된다. 이 센서의 단점은 임펠러가 느리게 회전할 경우(일명 제로 스피드) 기전력을 일으키지 못하고, 따라서 임펠러의 회전을 감지하지 못하는 것에 있다.
이 때문에 속도가 느릴 때는 능동형을 사용하고 속도가 빠를 때는 수동형을 사용하는 복합형 유량 감지 센서의 사용이 요구되어 왔다.
상기한 요구에 부응하기 위해 본 발명은, 유량계나 열량계, 전력량계, 자동차 미터기 등의 회전체에서 회전량을 감지하는 센서를 적은 전력 소모로 느린 회전량에서 고속 회전량까지 정확하게 감지할 수 있도록 구성된 복합형 유량 감지 장치및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합형 유량 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 2는 센서 구동 회로의 내부 구성을 나타낸 회로 구성도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 복합형 유량 감지 장치를 수도 미터기에 적용한 경우의 동작 순서도,
도 4는 센서 도체의 미접근시 입력 신호에 따른 출력 신호의 파형을 나타낸 도면,
도 5는 센서 도체의 접근시 입력 신호에 따른 출력 신호의 파형을 나타낸 도면,
도 6은 임펄스 신호의 입력에 따른 평활 신호 출력을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 유량 감지 장치 110 : 전원부
120 : 센서 도체 130 : 센서 코일
140 : 센서 구동회로 150 : 주제어부
160 : 임펠러 170 : 수도관
Vcc : 전원 Q3 : NPN형 트랜지스터
Q4 : PNP형 트랜지스터 R1 ∼ R5 : 저항
C1 ∼ C7 : 캐패시터 D1, D2 : 다이오드
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합형 유량 감지 장치는, 회전체를 구비하여 유체의 유량을 검출하는 복합형 유량 감지 장치에 있어서, 상기 장치 전반에 전원을 공급하기 위한 전원부; 상기 회전체에 부착되어 상기 회전체의 회전수를 알려주기 위한 임펠러 도체; 상기 회전체의 회전에 따른 상기 센서 도체(120)의 접근을 감지하기 위한 센서 코일; 상기 센서 코일을 이용하여 임계 발진을 여기하는 임펠러 구동 회로; 및 상기 임펠러 구동 회로로 임펄스 신호를 인가하여 임계 발진을 제어하며, 발진의 결과로 얻어지는 출력 신호를 판별하여 상기 회전체의 회전량을 계산하는 주제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의한 복합형 유량 감지 방법은 (a) 상기 임펄스 신호의 인가 횟수(C)와 상기 출력 신호의 길이(T) 및 상기 회전체의 회전수(E)를 초기화하는 단계; (b) 상기 주제어부로부터 상기 임펠러 구동 회로로 상기 임펄스 신호를 인가하여 상기 임펠러 구동회로를 동작시키는 단계; (c) 상기 주제어부가 상기 임펠러 구동 회로의 임계 발진 결과로 얻어진 상기 출력 신호를 감지하는 단계; (d) 상기 출력 신호를 근거로 상기 회전체의 회전을 판단하는 단계; 및 (e) 상기 회전체의 회전을 판단하여 회전수를 카운트하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합형 유량 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합형 유량 감지 장치(100)는 전원부(110), 센서 도체(120), 센서 코일(130), 센서 구동회로(140), 주제어부(150), 임펠러(160), 수도관(170) 등을 포함한다.
상기 구성에서, 전원부(110)는 장치 전반에 전원을 공급하며, 수도관(170)은 수도물이 흐르는 관이며, 임펠러(160)는 수도관(170)의 내부에 설치되어 수도물의 흐름에 따라 회전한다. 즉, 임펠러(160)는 회전체로서 프로펠러(Propeller)나 팬(Fan)처럼 회전축을 중심으로 회전 날개가 다수로 형성되어 있으며, 회전 날개가 수도물의 흐름에 의해 회전하게 된다.
센서 도체(120)는 임펠러(160)의 회전축의 임의의 지점에 부착된 도체로서 임펠러(160)의 회전수를 알려주기 위한 소자이다. 즉, 센서 도체(120)는 임펠러(160)의 회전축의 곡면을 따라 금속면 형태로 부착되고, 임펠러(160)가 회전하게 되면 함께 회전하게 된다. 따라서, 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)는 임펠러(160)와 함께 회전할 때 어느 한 순간 센서 코일(130)과 마주 보게 되고, 서로 마주 보는 순간 센서 코일(130)에 흐르는 전류가 센서 도체(120)로 여기되며,센서 코일(130)에서 센서 도체(120)로의 전류 여기는 센서 구동회로(140) 내의 전류량에 변화를 주게 되어, 그 전류량의 변화가 주제어부(150)로 전달됨으로써 임펠러(160)의 회전수를 알려 주게 된다.
센서 코일(130)은 임펠러(160)를 내장하고 있는 수도관(170)의 외벽에 접촉한 상태로 센서 구동회로(140)에 연결되고, 회전하는 센서 도체(120)와 회전하는 어느 순간 마주 볼 수 있도록 센서 도체(120)와 동일 선상에 위치한다.
그리고, 센서 도체(120)가 부착된 임펠러(160)의 회전축은 임펠러(160)가 회전할 수 있도록 수도관(170)의 내벽으로부터 미세하게 이격되어 있다.
여기서, 임펠러(160)가 수도관(170)의 내부에 설치되어 있어, 임펠러(160)와 임펠러 회전축을 감싸고 있는 것으로 수도관(170)을 설명하고 있으나, 임펠러(160)의 회전 날개 부분만 수도관(170)으로 내장되고, 그 회전축은 수도관(170)의 외부로 돌출되게 구성하는 경우에는, 임펠러 회전축을 감싸는 부분이 수도관(170)이 아닌 전류가 통하지 않지만 센서 코일(130)에 흐르는 전류를 여기할 수 있는 물질로 할 수도 있다.
즉, 본 발명에 따른 센서 도체(120)는 수도관(170)에 내장된 임펠러(160)가 아니더라도, 회전하는 모든 회전체의 회전축의 임의의 지점에 부착할 수 있으며, 센서 코일(130)은 센서 도체(120)가 부착된 상기 회전축과 일정 간격을 두고 설치되는 것이다.
따라서, 센서 도체(120)가 회전체의 회전축에 부착되어 있으므로, 회전체의 회전에 따라 센서 도체(120)도 회전하게 되고, 센서 도체(120)의 회전은 센서도체(120)와 서로 마주 볼 수 있도록 일정 간격으로 이격되어 있는 센서 코일(130)에서 멀어지게 하며, 센서 도체(120)가 1 회전하는 순간에는 다시 센서 코일(130)과 마주 볼 수 있도록 동작하게 한다.
센서 구동회로(140)는 센서 코일(130)을 이용하여 임계 발진을 여기하는 회로이다. 이는, 센서 구동회로(140)가 주제어부(150)로부터 임펄스 신호를 인가받아 발진 동작을 수행하여, 센서 구동회로(140)에 연결되어 있는 센서 코일(130)을 통해 센서 도체(120)로 발진 동작에 따른 전류 성분이 여기되도록 한다. 즉, 센서 코일(130)과 센서 도체(120)가 서로 마주 보는 순간 센서 코일(130)에서 센서 도체(120)로 전류 성분이 여기되는 것이다.
주제어부(Main Control Unit, 150)는 센서 구동회로(140)의 임계 발진을 제어하며, 발진의 결과로 얻어지는 출력 신호의 변화를 판별하여 임펠러(160)의 회전량을 계산한다.
수도관(170)은 유량의 흐름을 판단하는 기준점이 되며, 임펠러(160)를 내장하고 있다. 또한, 임펠러(160)를 회전 날개와 회전축으로 구분하여 회전 날개는 수도관(170)에 내장시키고, 회전축은 수도관(170)의 외부로 설치할 수도 있다.
따라서, 수도관(170)의 내부로 수도물이 흐름에 따라 임펠러(160)가 회전하게 되며, 임펠러(160)의 회전에 따라 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)도 함께 회전하게 되므로, 센서 도체(120)는 마주 보고 있는 센서 코일(130)과의 동일 선상에서 회전력에 의해 센서 코일(130)에서 그 위치가 멀어지다가 센서 도체(120)가 1 회전하는 순간 다시 마주보는 동작을 반복하게 된다.
도 2는 센서 구동회로(140)의 내부 구성을 나타낸 회로 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 센서 구동회로(140)는 PNP 형 트랜지스터(Q4)와 NPN 형 트랜지스터(Q3)가 구비되고, 상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E)단과 베이스(B)단이 센서 코일(130)의 양단으로 각각 연결되고, 상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E)단과 센서 코일(130)의 연결선 상에는 저항 R4를 통해 전원(Vcc)이 연결되어 있으며, 상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B)단과 센서 코일(130)의 연결선 상에는 캐패시터 C4가 직렬로 연결되고, 상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C)단이 연결되어 있다.
상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에는 평활 신호 출력선이 연결되고, 접지와의 사이에 저항 R5가 연결됨과 더불어 이 저항 R5에 병렬로 캐패시터 C5가 연결되어 있다. 여기서, 상기 평활 신호 출력선은 주제어부(150)로 연결된다.
또한, 상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단과 접지 사이에 캐패시터 C7가 연결되며, 상기 에미터(E) 단과 상기 베이스(B) 단은 캐패시터 C3로 연결되어 있으며, 상기 베이스(B) 단에 연결된 상기 캐패시터 C4에 병렬로 저항 R3가 연결되어 있다.
상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 에미터(E) 단은 접지되고, 베이스(B) 단에는 임펄스 신호의 입력을 위해 캐패시터 C2와 저항 R1을 통해 주제어부(150)에 연결된 임펄스 입력선이 연결되며, 상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단과 접지 사이에 다이오드 D2가 연결되어 있으며, 캐패시터 C2 와 저항 R1 의 연결 부위와 접지 사이에 다이오드 D1이 연결되어 있다.
이어, 상기와 같이 구성된 복합형 유량 감지 장치(100)의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 임펠러(160)가 회전하는 중 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)가 센서 코일(130)에 접근하지 않았을 때의 동작부터 설명한다.
전원부(110)로부터 전원(Vcc)이 센서 구동회로(140)로 인가되고, 인가된 전원(Vcc)은 저항 R4를 통해 PNP형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단에 인가되나, 베이스(B) 단으로 동작 전류가 인가되지 않아 PNP형 트랜지스터(Q4)는 작동하지 않는다. 즉, PNP형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단으로 에미터(E)의 전압보다 0.7 V 이하인 전하가 인가되기 전까지 동작하지 않고 대기 상태로 있게 된다.
또한, 상기 전원(Vcc)은 센서 코일(130)로 인가됨과 더불어 PNP형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단과 베이스(B) 단에 연결된 캐패시터 C3를 통해, PNP형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단과 센서 코일(130) 사이의 연결선 상에 연결된 NPN형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C) 단으로도 인가되나, NPN형 트랜지스터(Q3)는 베이스(B) 단으로 아직 동작 임펄스 신호가 인가되지 않아 동작하지 않고 동작 대기 상태로 있게 된다. 센서 코일(130)과 캐패시터(C3)는 인가된 전원(Vcc)을 축적하게 된다.
이때, 주제어부(150)로부터 임펄스 입력선을 통해 NPN형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단으로 NPN형 트랜지스터(Q3)를 동작시키기 위한 임펄스 신호가 입력되면, NPN형 트랜지스터(Q3)는 작동하게 되고 전류가 컬렉터(C) 단에서 에미터(E)를 거쳐 접지로 흐르게 됨으로써 NPN형 트랜지스터(Q3)는 발진 동작을 수행하게 된다. 여기서, NPN형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단에 연결된 임펄스 입력선 상에 연결되어 있는 다이오드 D1 및 다이오드 D2, 그리고 저항 R1 및 저항 R2는 NPN형 트랜지스터(Q3)를 구동하기 위한 적정 레벨, 즉 베이스(B) 단에서 에미터(E) 단으로 전류가 흐르는데 필요한 임계 전압(Threshold Voltage) 0.7 V로 맞추는 역할을 한다.
상기 발진 동작은 부궤환 회로를 갖추고 있지 않으므로 일정 시간이 흐르면 점차로 감쇄되어 결국 발진 동작이 멈추게 된다.
상기 발진 동작에 의한 발진 주파수는 다음 수학식 1과 같이 얻어진다.
여기서, Ctotal은 캐패시터 C4와 센서 코일(130)의 캐패시터 용량을 합한 값이다.
한편, NPN 형 트랜지스터(Q3)에 의해 발진된 임계 발진 신호가 캐패시터 C4를 통해 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단에 인가되면, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단의 전위가 에미터(E) 단의 전위보다 0.7 V 이하일 때 PNP형 트랜지스터(Q4)는 턴 온 되어 PNP형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에 전원(Vcc)이 인가된다.
즉, 주제어부(150)로부터 임펄스 신호가 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단으로 인가되어, NPN 형 트랜지스터(Q3)가 턴 온 되어 컬렉터(C) 단으로부터 에미터(E) 단으로 전류가 흐르게 되면, 캐패시터 C4에 축적된 전하가 상기 컬렉터(C) 단으로 흐르게 되고, 이에 따라 캐패시터 C4와 연결된 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단의 전위가 에미터(E) 단의 전위보다 낮은 전위 레벨로 전환되어 결국PNP형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단에서 컬렉터(C) 단으로 전류가 흐르게 되는 것이다.
여기서, 캐패시터 C4의 역할은 NPN 형 트랜지스터(Q3)에서 발진된 임계 발진 신호를 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단으로 전달하는 동시에 그 전달하는 신호의 크기를 조절하게 된다. 즉, 캐패시터 C4의 용량값이 작다면 낮은 전위 레벨의 신호가 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단으로 전달되어 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 턴 온 시간이 짧아지고, 반대로 캐패시터 C4의 용량값이 크다면 큰 전위 레벨의 신호가 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단으로 전달되므로, 상대적으로 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 턴 온 시간을 길게 하는 결과를 갖게 한다.
임계 발진을 진행하는 시간 동안 PNP 형 트랜지스터(Q4)는 도통과 단절을 임계 주파수의 주기에 따라 반복하게 되며, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에서는 캐패시터 C5와 저항 R5에 의해 출력된 신호가 평활되어, 이 평활된 신호(DC)는 평활 신호 출력선을 따라 주제어부(150)로 전달된다.
주제어부(150)는 임펄스 신호를 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단으로 송출한 이후, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단으로부터 평활 신호 출력선을 거쳐 입력되는 신호의 길이를 분석하게 된다.
즉, 주제어부(150)는 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단으로부터 평활되어 입력되는 DC 신호의 길이를 감지하고 있다가 그 입력되는 신호의 길이가 긴 상태로 유지하고 있으면 센서 도체(120)가 센서 코일(130)에서 멀어져 있는 상태로 인식하고, 그 입력되는 신호의 길이가 짧아지면 센서 도체(120)가 센서 코일(130)근처에 접근하였음을 인지하게 되는 것이다.
한편, 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)가 센서 코일(130)의 근처에 접근했을 때의 센서 구동회로(140)의 동작에 대해 설명한다.
수도관(170) 내부로 흐르는 수도물에 의해 임펠러(160)가 회전함에 따라, 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)도 임펠러(160)의 회전축의 외경을 따라 함께 회전하게 된다. 따라서, 센서 도체(120)는 회전에 의해 센서 코일(130)과 멀어지게 되고, 이에 따라 센서 구동회로(140)는 평활 신호 출력선을 따라 주제어부(150)로 평활된 출력 신호를 인가하게 된다. 이때, 주제어부(150)로 인가되는 출력 신호는 NPN 형 트랜지스터(Q3)와 PNP 형 트랜지스터(Q4)가 계속적으로 발진하는 동안 계속적으로 인가하게 된다.
그러나, 회전에 의해 센서 코일(130)로부터 멀어졌던 센서 도체(120)는 임펠러(160)의 계속적인 회전에 의해 다시 센서 코일(130)과 동일 선상의 위치로 접근하며 서로 마주보게 된다. 센서 도체(120)가 센서 코일(130)과 서로 마주 보게됨에 따라 센서 코일(130)의 인덕터 성분에 의해 전류 성분이 센서 도체(120)로 여기된다. 이때, 센서 코일(130)은 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단과 에미터(E) 단에 연결되어 있으므로, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단에서 컬렉터(C) 단으로 흐르던 전류가 급격히 줄어들게 된다.
이에 따라 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C)에서 에미터(E) 단으로 흐르던 전류도 급격히 줄게 되어, NPN 형 트랜지스터(Q3)의 임계 발진 시간도 현저하게 줄게 된다.
따라서, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에 연결되어 있는 평활 신호 출력선을 통해 주제어부(150)로 출력되는 출력 신호의 길이는 짧아지게 된다.
주제어부(150)는 평활 신호 출력선을 통해 입력되는 상기 출력 신호의 변화를 감지하여 카운트하게 되고, 이를 근거로 수도관(170)으로 흐르는 수도물의 유량을 검출하게 되는 것이다.
이때, 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)와 이를 감지하는 센서 코일(130) 간의 거리에 반비례하여 주제어부(150)로 입력되는 평활된 출력 신호의 길이가 변하게 되므로, 센서 도체(120)의 접근 여부를 판단하는 기준은 거리에 따라 다르게 설정하여야 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 도 1 및 도 2에 도시된 복합형 유량 감지 장치(100)를 수도 미터기에 적용한 경우의 동작 순서도이다.
본 발명에 따른 복합형 유량 감지 장치(100)를 수도 미터기에 적용하는 경우에는 센서 코일(130)을 임펠러(160) 주위에 위치시키고, 임펠러(160)의 회전축을 감싸고 있는 부분에 센서 도체(120)를 부착시킨다. 이때, 센서 도체(120)가 부착된 임펠러(160)를 내장하고 있는 수도관(170)에서 센서 코일(130)과 센서 도체(120) 사이에 있는 부분은 비도전성 물체로 구성한다. 센서 도체(120)는 금속면으로 구성하고, 센서 코일(130)의 면적은 크면 클수록 유리하다. 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)의 금속면의 크기는 전체 회전 면적의 1/2 정도가 오차를 최소화시키는 최적의 면적이 된다.
전원부(110)의 경우, 배터리 형태로 구성할 경우 그 사용 시간을 연장하기위하여 주제어부(150)는 동작과 휴식을 반복하게 한다. 상기 휴식과 반복의 동작 주기는 수도관(170)의 최대 유량시의 임펠러(160)의 회전 속도에 비례한다.
임펠러(160)의 회전을 정확하게 감지하기 위해서 임펠러(160)가 최대로 회전할 때를 기준으로 최소 3회 이상의 센서 도체(120)의 접근 여부를 감지하여야 하며, 금속체와 비금속체의 경계선인 임계점에서의 감지 오차를 줄이기 위해서 더 많은 회수의 감지가 필요하다.
먼저 주제어부(150)는 복합형 유량 감지 장치(100)의 초기화를 실행한다(S310).
도 3에서, 기호 C는 주제어부(150)가 센서 구동회로(140)로 인가하는 임펄스 신호의 인가 횟수를 나타내고, t는 센서 구동회로(140)에서 주제어부(150)로 평활 신호 출력선을 통해 인가되는 출력 신호의 길이를 판단하기 위해 설정한 상수값이다. 그리고, T는 상기 출력 신호의 길이를 나타내는 시간이며, E는 임펠러(160)의 회전수를 나타낸다.
수도관(170)의 내부로 유량의 흐름이 있으면, 유량의 흐름에 따라 임펠러(160)는 회전하게 되며, 이에 따라 주제어부(150)는 일정 주기로 계속해서 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)의 센서 코일(130)로의 접근 여부를 감지한다. 센서 도체(120)의 접근 여부를 감지하는 동작은 주제어부(150)가 임계 발진을 위한 임펄스 신호를 센서 구동회로(140)로 인가함으로써 시작한다(S320).
주제어부(150)가 센서 구동회로(140)로 임펄스 신호를 인가하면, 도 2에서 설명한 바와 같이 임펄스 신호는 임펄스 입력선을 통해 NPN 형 트랜지스터(Q3)의베이스(B) 단으로 인가되어 NPN 형 트랜지스터(Q3)를 턴 온 시킴으로써 NPN 형 트랜지스터(Q3)가 발진 동작을 실행하게 된다. 여기서, NPN 형 트랜지스터(Q3)는 발진 동작을 수행하면서 컬렉터(C)단에 연결된 캐패시터 C3와 캐패시터 C7으로부터 축적되어 있던 전류까지 소모해가며 발진 동작을 수행하게 된다. 따라서, NPN 형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C)단이 로우 레벨로 전환되어 가고, 이러한 영향을 받아 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B)단이 로우 레벨 상태가 되어, 결국 PNP 형 트랜지스터(Q4)도 동작하게 된다. NPN 형 트랜지스터(Q3)가 동작하게 됨에 따라 PNP 형 트랜지스터(Q4)도 동작하게 되어 발진 동작을 수행하게 된다.
NPN 형 트랜지스터(Q3)나 PNP 형 트랜지스터(Q4)가 발진 동작을 수행함에 따라, 결국 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에 연결된 평활 신호 출력선을 통해 출력 신호가 주제어부(150)로 인가됨으로써, 주제어부(150)는 평활 신호를 감지하게 된다(S330). 즉, 주제어부(150)는 평활 신호의 출력 길이(T)가 0.5t 보다 크게 되는지를 판단하는 것이다.
임펠러(160)의 회전은 센서 도체(120)가 센서 코일(130)로 근접하였다가 멀어졌을 때를 1 회전으로 감지한다. 이때, 본 발명에서 임펄스 인가 주기는 임펠러(160)가 규정된 최고의 속도로 1 회전할 때 최소 5회를 인가하는 것으로 한다. 즉, 임펠러(160)가 최고의 속도로 회전할 때 센서 구동회로(140)는 센서 코일(130)에 의해 센서 도체(120)의 접근을 최소 2회 이상 연속 감지하고(T<0.5t), 센서 도체(120)가 접근하지 않았음을 최소 2회 이상 연속 감지하게 된다(T>0.5t).
임펠러(160)의 회전수는 센서 도체(120)가 연속 2회 이상 감지된 후 센서 도체(120)가 멀어졌음을 1회 이상 감지함으로 이루어진다. 여기서, 연속 2회 이상의 T<0.5t 가 의미하는 것은 임의의 예기치 못한 상태, 예컨대, 임펠러(160)가 거의 정지 상태에서 평활 신호의 출력 길이(T)가 0.6t 와 0.4t 사이를 오가고 있는 상태 등으로, T<0.5t 의 상황이 발생했을 때 임펠러(160)의 회전에 의한 것인지 아니면 기타 오동작인지를 구분하기 위한 판단 기준이 되는 것이다.
그런데, NPN 형 트랜지스터(Q3)나 PNP 형 트랜지스터(Q4)가 발진 동작에 따라 전원이 소모됨으로써, NPN 형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C) 단의 출력은 도 4에 도시된 바와 같이 시간의 흐름에 따라 신호가 점점 사라지는 출력 신호(A)를 얻게 된다. 따라서, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에 연결된 평활 신호 출력선에서는 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C) 단의 출력이 사라지는 동안 일정한 출력 신호를 유지하다가 그 출력 레벨이 어느 순간 급격히 하강하게 된다.
센서 구동회로(140)로부터 출력 신호를 감지한 주제어부(150)는 출력 신호의 길이(T)를 판단하게 되는데, 그 기준값으로 0.5t를 설정하여 출력 신호의 길이(T)가 0.5t 보다 더 큰 값인지를 판단한다(S340).
즉, 도 2에서 설명된 바와 같이 센서 도체(120)가 센서 코일(130)에 아직 접근하지 않고 있을 때는 센서 구동회로(140)로부터 출력되는 출력 신호의 길이(T)는 도 4와 같이 그 출력 길이가 긴 상태를 유지한다.
상기 단계 S340에서, 출력 신호의 길이(T)가 미리 설정한 값 0.5t 보다 아직 클 경우, 즉 센서 도체(120)가 센서 코일(130)에 아직 접근하지 않았을 때 주제어부(150)는 임펄스의 인가 횟수(C)를 1 만큼 증가시키고(S342), 상기 단계 S320로복귀하여 임펄스 신호를 센서 구동회로(140)로 인가한 후 평활 신호를 감지하는 상기 단계 S330을 실행한다. 그리고, 주제어부(150)는 다시 평활 신호의 길이(T)가 0.5t 이하인지를 판단하여 그 이하로 판단된 경우, 임펄스 인가 횟수(C)가 2 이상인지를 판단한다(S344). 상기 임펄스 인가 횟수(C)가 2 이상이 아닌 경우 상기 단계 S320으로 복귀하여 센서 구동회로(140)로 임펄스 신호를 또 인가하여 센서 도체(120)가 접근할 때까지 센서 구동회로(140)가 계속적으로 발진 동작을 수행하도록 한다.
t의 값과 센서 도체(120)의 접근 여부를 판별하는 0.5t의 기준은 센서 코일(130)과 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)의 최단 거리, 센서 코일(130)의 면적, 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)의 면적, 센서 도체(120)에 재질, 센서 구동회로(140)에 사용된 소자들의 값에 따라 각각 다르게 설정할 수 있다.
한편, 센서 도체(120)가 회전함에 따라 센서 코일(130)에 접근하여 서로 마주 보게 되었을 때는 센서 구동회로(140)의 발진 동작으로 센서 코일(130)로부터 전류가 센서 도체(120)로 흐르게 된다.
이때, 도 2에서 설명한 바와 같이 센서 코일(130)은 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단과 에미터(E) 단에 연결되어 있으므로, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단에서 컬렉터(C) 단으로 흐르던 전류가 급격히 줄어들게 된다.
이에 따라 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C)에서 에미터(E) 단으로 흐르던 전류도 급격히 줄게 되어, NPN 형 트랜지스터(Q3)의 임계 발진 시간도 현저하게 줄게 된다.
따라서, PNP 형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에 연결되어 있는 평활 신호 출력선을 통해 주제어부(150)로 출력되는 출력 신호의 길이(T)는 도 5에 도시된 바와 같이 짧아지게 된다. 즉, 임펠러(160)가 회전함에 따라 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)가 센서 코일(130)에 접근하게 되면, 주제어부(150)는 0.5t 이하의 길이를 갖는 평활 신호를 감지하게 된다.
주제어부(150)는 센서 구동회로(140)로부터 입력되는 출력 신호의 길이(T)가 미리 설정되어 있는 0.5t 보다 더 작을 경우, 임펄스 인가 횟수(C)를 판단하는 바, 상기 임펄스 인가 횟수(C)가 2회 이상인 경우, 평활 신호 출력선을 통해 입력되는 출력 신호의 변화를 인식하여 센서 도체(120)의 접근을 감지하고, 임펠러(160)의 회전수를 1회 카운트하게 된다(S350). 즉, 주제어부(150)는 도 5에 도시된 바와 같이 출력 신호의 길이(T)가 도 4의 T 에서 도 5의 T로 현저하게 변화된 것을 감지하게 되는 것이다. 즉, 주기적으로 내보내는 임펄스 신호에 의해 연속해서 두번 이상 평활 신호가 0.5t 보다 짧음을 인지하면 주제어부(150)는 센서 도체(120)의 접근으로 판단하게 된다. 다시 주기적으로 내보내는 임펄스 신호에 의해 평활 신호의 길이(T)가 0.5t 이상이 되면, 주제어부(150)는 임펠러(160)에 부착된 센서 도체(120)가 멀어졌음으로 인식하고 임펠러(160)의 1 회전을 기록하게 된다.
즉, 회전하는 임펠러(160)에 의해 센서 도체(120)가 센서 코일(130)로부터 멀어지게 되면, 평활 신호 출력선으로 출력되는 출력 신호의 길이(T)는 도 4와 같이 다시 길어지게 되며, 주제어부(150)는 길어진 출력 신호를 감지한 후 이를 임펠러(160)의 1 회전으로 인지한다.
그리고, 주제어부(150)는 이전에 카운트한 임펠러 회전수에 방금 카운트한 1회를 더하여 총 임펠러 회전수를 계산하게 되고(S360), 이를 근거로 수도관(170)으로 흐르는 수도물의 유량을 검출하게 되는 것이다.
같은 방식으로 길어진 출력 신호가 계속해서 2 회 이상 감지된 후 그 길이가 짧은 출력 신호가 감지되면 주제어부(150)는 센서 도체(120)의 접근으로 인식하여 카운트 동작을 계속하게 되는 것이다.
본 발명에 따른 실시예들에 의하면, 유량계나 열량계, 전력량계, 자동차 미터기 등의 회전체에서 회전량을 감지하는 센서를 적은 전력 소모로 느린 회전량에서 고속 회전량까지 정확하게 감지할 수 있도록 구성된 복합형 유량 감지 장치 및 방법을 실현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 적은 전력 소모로 회전체의회전량 또는 물체의 이동을 감지할 수 있으며, 적은 전력 소모로 느린 회전체의 회전량에서 고속 회전체의 회전량까지 정확히 감지할 수 있다.
또한, 회로 구성의 간단함으로 저가격으로 감지 센서 장치를 구성할 수 있으며, 전자식 수도 미터 등을 저가격으로 보급할 수 있다.

Claims (12)

  1. 회전체를 구비하여 유체의 유량을 검출하는 복합형 유량 감지 장치에 있어서,
    상기 장치 전반에 전원을 공급하기 위한 전원부(110);
    상기 회전체에 부착되어 상기 회전체의 회전수를 알려주기 위한 센서 도체(120);
    상기 회전체의 회전에 따른 상기 센서 도체(120)의 접근을 감지하기 위한 센서 코일(130);
    상기 센서 코일(130)을 이용하여 임계 발진을 여기하는 센서 구동회로(140); 및
    상기 센서 구동회로(140)로 임펄스 신호를 인가하여 임계 발진을 제어하며, 발진의 결과로 얻어지는 출력 신호를 판별하여 상기 회전체의 회전량을 계산하는 주제어부(Main Control Unit:150)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 구동회로(140)는,
    PNP형 트랜지스터(Q4)와 NPN형 트랜지스터(Q3)가 구비되고,
    상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E)단과 베이스(B)단이 상기 센서 코일(130)의 양단으로 연결되고, 상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E)단과 상기센서 코일(130)의 연결선 상에 저항 R4를 통해 전원(Vcc)이 연결되어 있으며, 상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B)단과 상기 센서 코일(130)의 연결선 상에 캐패시터 C4가 직렬로 연결됨과 더불어 상기 NPN형 트랜지스터(Q3)의 컬렉터(C)단이 연결되어 있으며,
    상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단에는 상기 주제어부(150)와 연결된 평활 신호 출력선이 연결됨과 더불어 접지와의 사이에 저항 R5 및 이 저항 R5에 병렬로 캐패시터 C5가 연결되어 있으며,
    또한, 상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 에미터(E) 단과 접지 사이에 캐패시터 C7가 연결되며, 상기 에미터(E) 단과 상기 베이스(B) 단은 캐패시터 C3로 연결되어 있으며, 상기 베이스(B) 단에 연결된 상기 캐패시터 C4에 병렬로 저항 R3가 연결되어 있으며,
    상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 에미터(E) 단은 접지되고, 베이스(B) 단에는 임펄스 신호의 입력을 위해 캐패시터 C2와 저항 R1을 통해 주제어부(150)에 연결된 임펄스 입력선이 연결되며, 상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단과 접지 사이에 다이오드 D2가 연결되어 있으며, 캐패시터 C2 와 저항 R1 의 연결 부위와 접지 사이에 다이오드 D1이 연결되어 있는
    것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원부(110)는 착탈식 배터리 또는 충전식 배터리 형태로 구성된 것을특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는 유량계나 열량계, 전력량계, 자동차 미터기 중 하나에 구비된 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 캐패시터 C4는 상기 NPN형 트랜지스터(Q3)에서 발진된 임계 발진 신호를 상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단으로 전달하는 동시에 그 전달하는 신호의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 NPN형 트랜지스터(Q3)의 베이스(B) 단에 연결된 상기 임펄스 입력선 상에 연결되어 있는 상기 다이오드 D1 및 상기 다이오드 D2, 그리고 상기 저항 R1 및 상기 저항 R2는 상기 NPN형 트랜지스터(Q3)를 구동하기 위해 상기 베이스(B) 단에서 상기 에미터(E) 단으로 전류가 흐르는데 필요한 임계 전압(Threshold Voltage) 0.7 V로 맞추는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 주제어부(150)는 임펄스 신호를 상기 NPN형 트랜지스터(Q3)의베이스(B) 단으로 송출한 이후, 상기 PNP형 트랜지스터(Q4)의 컬렉터(C) 단으로부터 평활 신호 출력선을 거쳐 입력되는 신호의 길이를 감지하고 있다가 그 입력되는 신호의 길이가 긴 상태로 유지되고 있으면 상기 센서 도체(120)가 상기 센서 코일(130)에서 멀어져 있는 상태로 인식하고, 그 입력되는 신호의 길이가 짧아지면 상기 센서 도체(120)가 상기 센서 코일(130) 근처에 접근하였음을 인지하게 되는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 장치.
  8. 회전체(160); 장치 전반에 전원을 공급하기 위한 전원부(110); 상기 회전체(160)에 부착되어 상기 회전체(160)의 회전수를 알려주기 위한 센서 도체(120); 상기 회전체(160)의 회전에 따른 상기 센서 도체(120)의 접근을 감지하기 위한 센서 코일(130); 상기 센서 코일(130)을 이용하여 임계 발진을 여기하는 센서 구동회로(140); 및 상기 센서 구동회로(140)로 임펄스 신호를 인가하여 임계 발진을 제어하며, 발진의 결과로 얻어지는 출력 신호를 판별하여 상기 회전체(160)의 회전량을 계산하는 주제어부(150)를 구비하는 장치의 복합형 유량 감지 방법으로서,
    (a) 상기 임펄스 신호의 인가 횟수(C)와 상기 출력 신호의 길이(T) 및 상기 회전체(160)의 회전수(E)를 초기화하는 단계;
    (b) 상기 주제어부(150)로부터 상기 센서 구동회로(140)로 상기 임펄스 신호를 인가하여 상기 센서 구동회로(140)를 동작시키는 단계;
    (c) 상기 주제어부(150)가 상기 센서 구동회로(140)의 임계 발진 결과로 얻어진 상기 출력 신호를 감지하는 단계;
    (d) 상기 출력 신호를 근거로 상기 회전체(160)의 회전을 판단하는 단계; 및
    (e) 상기 회전체(160)의 회전을 판단하여 회전수를 카운트하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 센서 구동회로(140)는 PNP 형 트랜지스터(Q4)와 NPN 형 트랜지스터(Q3)를 구비하고,
    상기 단계 (b)에서, 상기 임펄스 신호가 상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)를 작동시키고, 상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)의 동작이 캐패시터 C4에 의해 상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)를 동작시켜 상기 센서 구동회로(140)의 발진 동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 회전체(160)에 부착된 상기 센서 도체(120)가 상기 센서 코일(130)로부터 멀어졌을 때, 상기 주제어부(150)로 상기 출력 신호의 길이가 길게 감지되고, 상기 센서 도체(120)가 상기 센서 코일(130)에 접근하였을 때 상기 주제어부(150)로 상기 출력 신호의 길이가 짧게 감지되어, 상기 주제어부(150)가 상기 출력 신호의 길이 변화를 감지함으로써 상기 회전체(160)의 1 회전을 판단하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 주제어부(150)는 상기 임펠러(160)에 부착된 상기 센서 도체(120)가 상기 센서 코일(130)로부터 멀어진 후 다시 접근하기까지, 상기 임펄스 신호를 상기 센서 구동회로(140)로 일정 횟수만큼 인가하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐패시터 C4는 상기 NPN 형 트랜지스터(Q3)에서 발진된 임계 발진 신호를 상기 PNP 형 트랜지스터(Q4)의 베이스(B) 단으로 전달하는 동시에 그 전달하는 신호의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 복합형 유량 감지 방법.
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KR1020020073439A KR20040045611A (ko) 2002-11-25 2002-11-25 복합형 유량 감지 장치 및 방법

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4088022A (en) * 1975-02-25 1978-05-09 International Telephone And Telegraph Corporation Turbine flowmeter and components thereof
JPS55135711A (en) * 1979-04-12 1980-10-22 Tohoku Metal Ind Ltd Flow meter using composite magnetic material for sensor
EP0029336A1 (en) * 1979-11-15 1981-05-27 Britax Vega Limited Improvements in or relating to flowmeters
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