KR102016743B1 - 정전용량 방식의 수위센서 - Google Patents

Abstract

수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 수위 센서를 구현하고, 전압 차를 이용하여 수위를 정확하게 감지하도록 한 정전용량 방식의 수위센서에 관한 것으로서, 전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극, 제1전극과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변화하는 정전용량으로 수위를 감지하는 제2전극, 드레인 단자가 상기 게이트 라인에 연결되고, 게이트 단자가 상기 제2전극에 연결되며, 소스 단자가 출력 라인과 연결되어, 수위에 따라 제1전극 및 제2 전극 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력하는 트랜지스터를 포함하여, 정전용량 방식의 수위센서를 구현한다.

Description

정전용량 방식의 수위센서{Capacitive water level sensor}

본 발명은 정전용량 방식의 수위센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 수위 센서를 구현하고, 전압 차를 이용하여 수위를 정확하게 감지하도록 한 정전용량 방식의 수위센서에 관한 것이다.

일반적으로 수위센서는 물의 양을 감지하거나 또는 물이 부족함을 검출하기 위한 센서이다.

그 중 정전용량 방식의 수위 레벨 감지센서는 센서(sensor) 측의 정전용량(Capacitance)과 레퍼런스(Reference) 측의 정전용량을 비교하여 인식 여부를 결정한다. 예컨대, 물이 없는 경우는 레퍼런스 측의 정전용량이 센서 측 정전 용량보다 크고, 물이 있는 경우(물을 감지하는 경우)는 레퍼런스 측의 정전용량보다 센서 측 정전용량이 크다.

한편, 일반적인 정전용량 방식 수위 감지 센서의 PCB(인쇄회로기판, Printed Circuit Board)는 단순히 센서 패드와 레퍼런스 패드 간 면적의 차이를 둔 후, 각 면적이 가지는 정전용량을 상대적으로 비교하여 동작 유무를 판단하는 방식이다.

하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 3> 에 종래에 제안된 정전용량 방식의 수위센서가 개시되었다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 PCB의 일면에 수직으로 부착되어 수위의 상승을 감지하는 적어도 하나 이상의 센서 패드를 포함하는 센서 패드부, PCB의 다른 면에 수직으로 부착되는 적어도 하나 이상의 레퍼런스 패드를 포함하는 레퍼런스 패드부를 포함하고, 센서 패드와 레퍼런스 패드는 서로 겹치지 않도록 수평으로 교차하여 배치된다. 이러한 수위 센서는 수위가 상승하여 센서 패드의 정전용량이 변화하여도 레퍼런스 패드는 전극(GND)에 의해 수위의 영향을 받지 않아 정전용량의 변화가 없어 기준이 변하지 않으므로, 감도의 변화가 발생하지 않는 장점이 있으며, 레퍼런스 패드와 센서 패드를 서로 반대 면에 수평으로 교차하여 배치함으로써, 상호 간의 간섭을 배제할 수 있게 된다.

또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 CVD 방식의 비접촉 정전용량 수위센서는 1개 이상의 금속 패드를 가지는 센서패턴으로, 물통 외부에서 비접촉 방식으로 수위를 감지하기 위한 감지부, 감지부의 감지된 수위정보를 외부로 출력하기 위한 회로부를 포함하며, 금속 패드 각각은 회로부와 금속성 와이어로 연결된다. 이러한 구성을 갖는 수위 센서는 주파수 방식의 수위센서보다 노이즈에 강하고 감지하는 값에 대한 변화량이 적어 오차가 적다.

또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 수위를 감지할 위치에 도체의 패드(Pad)를 형성해 놓고 기준점과 그 패드 간의 정전용량(Capacitance)의 변화를 감지하여 패드를 형성해 놓은 곳까지 수위가 올라와 있는지, 그렇지 않은지를 판단하는 수위센서를 제공한다. 이러한 구성을 통해, 감지센서가 탱크의 외부에 설치되고 또 물과는 격리되어 있기 때문에, 때가 끼는 현상이 없어 위생적이고 그 구조가 간단하여 기구설계가 용이하며 원가를 절감할 수 있게 된다.

대한민국 공개특허 10-2013-0127612(2013.11.25. 공개)(수위 레벨 센서용 PCB) 대한민국 공개특허 10-2016-0057973(2016.05.24. 공개)(CVD 방식의 비접촉 정전용량 수위센서) 대한민국 공개실용신안 20-2012-0000414(2012.01.16. 공개)(정전용량 변화 감지방식의 수위센서)

그러나 상기와 같은 종래기술들은 수위 감지를 위한 센서 구조가 복잡하고, 이로 인해 수위 센서를 위한 PCB의 구조도 복잡하다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 하는 간단한 구성으로 수위 센서를 구현하고, 전압 차를 이용하여 수위를 정확하게 감지하도록 한 정전용량 방식의 수위센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서는, 전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극; 상기 제1전극과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변화하는 정전용량으로 수위를 감지하는 제2전극; 드레인 단자가 상기 게이트 라인에 연결되며, 게이트 단자가 상기 제2전극에 연결되며, 소스 단자가 출력 라인과 연결되어, 수위에 따라 제1전극 및 제2 전극 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력하는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제1전극과 제2 전극은 직렬로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제2전극의 면적이 제1전극의 면적보다 적어도 2배 이상 큰 것을 특징으로 한다.

상기에서 트랜지스터는 물이 존재하면 상기 제2전극의 정전용량의 증가에 따라 게이트 전압이 낮아져 출력 전류가 감소하고, 물이 없으면 제1 및 제2 전극의 정전용량이 직렬로 더해져 기생용량의 감소로 게이트 전압이 높아져 출력 전류가 증가하는 방식으로 수위 감지 값을 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 트랜지스터는 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)를 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 수위가 높아짐에 따라 센싱 전극 간의 정전용량이 증가하여 전압이 증가하도록 하는 간단한 구성으로 수위 센서를 구현할 수 있으며, 이에 따라 수위 센서의 구성을 단순화함은 물론 수위센서의 PCB를 작고 간단하게 설계하면서도 수위를 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서 PCB 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서 회로도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 물의 존재 유무에 따른 수위센서의 정전용량 변화 모식도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 정전용량 방식의 수위센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 정전용량 방식의 수위센서 PCB 구조도로서, 수위 감지 값을 출력하는 트랜지스터(10), 전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극(20)(C1), 상기 제1전극(200(C1)과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변환하는 정전용량(C)으로 수위를 감지하는 제2전극(30)(C2)으로 이루어진다.

여기서 제1전극(C1)과 제2 전극(30)은 직렬로 배열되며, 상기 제2전극(C2)의 면적이 제1전극(C1)의 면적보다 적어도 2배 이상 크다.

아울러 상기 트랜지스터(10)는 드레인 단자(D)가 상기 게이트 라인(Gate line)에 연결되며, 게이트 단자(G: Gate)가 상기 제2전극(C2)(30)에 연결되고, 소스 단자(S: Source)가 출력 라인(Output line)과 연결되어, 수위에 따라 제1전극(C1) 및 제2 전극(C2) 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력한다.

이러한 트랜지스터(30)는 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)를 이용하는 것이 바람직하다.

도 2는 도 1과 같은 정전용량 방식의 수위센서의 회로도이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 정전용량 방식의 수위센서의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1 및 도 2에 도시한 정전용량 방식의 수위센서 회로도와 같이, 게이트 라인(스캔 라인)에 연결되는 일정 면적의 제1전극(C1)과 트랜지스터(30)의 게이트 단자(G)에 연결되는 일정 면적의 제2전극(C2)이 일정 간격을 두고 배치된다.

스캔 라인에 게이트 펄스(스캔 펄스)가 인가되면, 트랜지스터(30)의 게이트 단자(G)에 연결된 제1전극(C1) 및 제2전극(C2)의 결합에 의해 전압 변화를 유도하여, 수위를 감지하게 된다.

예컨대, 물이 있을 때는 수위 감지용 제2전극(C2)의 정전용량이 증가하면서 트랜지스터(30)의 게이트 단자(G)의 전압의 상승이 줄어들어 물이 없을 때보다 드레인 단자(D: Drain)에서 소스 단자(S)로 흐르는 전류가 적게 흐른다.

반대로, 물이 없을 때는 수위 감지용 제2전극(C2)과 제1전극(C1)의 정전용량이 직렬로 더해져, 기생용량이 감소하여 트랜지스터(30)의 게이트 단자(g)의 전압이 높아져 드레인 단자(d)에서 소스 단자(S)로 전류가 많이 흐른다.

도 3a는 물이 없을 때의 정전용량 방식의 수위센서의 정전용량 모식도이고, 도 3b는 물이 있을 때 정전용량 방식의 수위센서의 정전용량 모식도이다.

여기서 게이트 라인(스캔 라인)으로 입력된 전압이 Vref이고, 제1전극(C1)의 기준 정전용량이 Cref이며, 제2전극(C2)의 물에 따른 변화하는 정전용량이 Cx라고 할 때, 트랜지스터의 게이트 단자(G)에 인가되는 전압 Vx는 아래와 같은 수식으로 표현된다.

따라서 수위가 높아짐에 따라 제1전극(C1) 및 제2전극(C2) 간의 정전용량이 증가하여 전압의 증가가 줄어들어 거의 0이 되도록 함으로써, 그 전압 차를 이용하여 수위를 감지하게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

10: 트랜지스터
20: 제1전극(C1)
30: 제2전극(C2)
G: 게이트 단자(Gate)
D: 드레인 단자(Drain)
S: 소스 단자(Source)

Claims (5)

1. 정전용량 방식의 수위센서로서,
   전원과 연결되는 게이트 라인(Gate line)에 직렬로 연결되는 제1전극;
   상기 제1전극과 소정의 간격을 두고 배열되어 수위에 따라 변화하는 정전용량으로 수위를 감지하는 제2전극;
   드레인 단자가 상기 게이트 라인에 연결되고, 게이트 단자가 상기 제2전극에 연결되며, 소스 단자가 출력 라인과 연결되어, 수위에 따라 제1전극 및 제2 전극 간의 정전용량 변화에 대응하는 전압의 변화를 수위 감지 값으로 출력하는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 수위센서에 있어서,
   상기 제1전극과 제2전극은 일정 간격을 두고 직렬로 배열되며 상기 트랜지스터는 물이 존재하면 상기 제2전극의 정전용량의 증가에 따라 게이트 전압이 낮아져 출력 전류가 감소하고, 물이 없으면 제1 및 제2 전극의 정전용량이 직렬로 더해져 기생용량의 감소로 게이트 전압이 높아져 출력 전류가 증가하는 방식으로 수위 감지 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 수위센서.
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