KR101802474B1 - 2개의 절대형 엔코더를 이용한 액면레벨 계측장치 및 계측방법 - Google Patents

2개의 절대형 엔코더를 이용한 액면레벨 계측장치 및 계측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2개의 절대형 엔코더를 이용하여 댐이나 하천 또는 항만의 수위, 저유탱크의 오일레벨, 용수공급시설의 대규모 시설물 수위 등 액체의 레벨을 정밀하게 측정하고, 전원 공급이 차단된 때에도 수위의 변화를 측정할 수 있도록 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 액면레벨 계측장치 및 계측방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액면레벨 계측장치는 계측 대상이 되는 액면 위에 부상하여 액면의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트(157)와; 상기 플로트(157)의 상하 이동량을 타이밍벨트(158)를 통하여 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍벨트 풀리(151)와; 상기 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 전달받아, 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 감속기어(106)를 통하여 결합된 2개의 절대형 엔코더를 통하여 측정하여 출력하는 절대변위계(100)와; 상기 절대변위계(100)의 절대형 엔코더 출력값을 분석하여 플로트(157)의 절대위치 값을 계산하고, 계산된 플로트(157)의 절대위치에 따른 액면레벨 값을 계산하는 액면계측 컨트롤러(200);를 포함하여 이루어져, 수위 변화를 정밀하게 계측할 수 있도록 제공된다.

Description

2개의 절대형 엔코더를 이용한 액면레벨 계측장치 및 계측방법 {AN ABSOLUTE LIQUID LEVEL MEASURING EQUIPMENT USING TWO ABSOLUTE ENCODERS AND MEASUREMENT METHOD IT USING THE SAME}
본 발명은 액면레벨 계측장치 및 계측방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 2개의 절대형 엔코더를 이용하여 댐이나 하천 또는 항만의 수위, 저유탱크의 오일레벨, 용수공급시설의 대규모 시설물 수위 등 액체의 레벨을 정밀하게 측정하고, 전원 공급이 차단된 때에도 수위의 변화를 측정할 수 있도록 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 액면레벨 계측장치 및 계측방법에 관한 것이다.
댐이나 하천 또는 항만의 수위, 정유시설에서 저유탱크의 액체레벨, 암벽 내 저장하는 원유저장시설의 원유 레벨, 용수공급시설의 수위 등을 측정하는 액면레벨 측정장치는 설비 운영에 근간이 되는 매우 중요한 역할을 담당하는 설비 중 하나이다.
일반적으로 액면레벨 측정방법으로 액면에 따라 상하로 이동할 수 있도록 액면 위에 플로트를 설치하고, 이 플로트에 와이어로프를 연결한 후 액면레벨 측정장치의 풀리에 감고, 그 맞은편에 추를 설치하여, 수위 변화에 따른 와이어로프의 이동을 풀리의 회전량을 통하여 감지하여 수위를 측정하는 방법이 주로 이용되고 있다.
종래에는 이러한 와이어로프가 연결된 풀리의 회전량을 측정하는 방식으로 4자리 또는 5자리의 숫자 휠에 약한 자석을 설치하고 이 자석의 자력선 영향으로 리드 릴레이를 작동시켜 회전위치를 읽어내는 R/D 컨버터 장치가 주로 사용하고 있다. 상기 R/D 컨버터는 1 자리 숫자가 0, 2, 3, .., 9로 증가하고 다시 0으로 바뀔 때 10 단위 숫자 휠이 1단위 증가하고, 다시 10자리 숫자휠이 0, 2, 3, .., 9 로 증가하고 다시 0으로 바뀔 때 100 자리 숫자 휠이 1단위 증가하는 방식으로 구성되어 있다.
이러한 방식에서 숫자 휠의 값을 검출하는 방법은 숫자 단위당 1, 2, 4, 8의 값을 갖는 4개의 리드 릴레이로 구성된 BCD 방식을 이용하여 숫자 값을 표시하게 되는데, 이 리드 릴레이는 약한 자석에 의해 동작하는 리드 릴레이로서 숫자 값을 표시하여 출력하게 된다. 이때, 상기 리드 릴레이는 약한 자력선에 의해 접점이 붙거나 떨어지는 매우 취약한 구조로 되어 있어서, 약한 써지 전압에도 접점이 소손되어 동작이 정상적으로 이루어지지 않는 현상이 빈번히 발생하고, 숫자가 바뀔 때 숫자와 숫자 사이에 자석이 없는 구간을 지날 때 순간적으로 값이 0으로 출력되는 현상이 발생하여 설비의 가동이 정지되는 문제점이 있다.
한편, 다른 액면레벨 계측방식으로 액면레벨 측정용 풀리의 한쪽에 증분형 엔코더를 부착하여 풀리의 회전량에 따라 발생하는 펄스를 적산하고, 이 적산된 펄스 값에 펄스당 이송거리 계수를 곱하여 액면레벨를 계측하는 방식이 이용되기도 한다. 이러한 증분형 엔코더를 이용하는 경우 비교적 간편하고 안정적으로 액면레벨를 계측할 수 있는 장점이 있으나, 정전이 발생하거나 증분형 엔코더의 연결케이블에 이상이 생기거나 컨트롤러에 문제가 발생한 후에 액면레벨에 변화가 있으면 이 동안에 발생한 펄스를 잃어버리게 되어 그 만큼 수위 값의 오차가 발생하는 문제가 있었다.
한편, 또 다른 액면레벨 계측방식으로 절대형 엔코더를 이용하는 방식이 있는데, 이 방식은 절대형 엔코더를 한 개만 사용하기 때문에 긴 이동거리를 측정하는 경우 엔코더 앞 단에 복잡한 감속기어를 설치하여 플로트의 전체 이동량을 절대치 엔코더의 1회전 이내로 감속하여 사용해야 한다. 이렇게 감속 기어를 이용하는 경우 기어의 백러쉬에 의한 큰 오차가 발생하게 되며, 전체 이동거리를 엔코더의 분해능으로 나눈 절대형 엔코더의 정밀도는 이동거리가 길면 길수록 상대적으로 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 예를 들면, 액면레벨 변동폭이 최대 50m 이고, 1000펄스 분해능의 절대형 엔코더를 사용하는 경우, 펄스당 최소 분해능은 5000/1000 = 5cm 로 일반 액면레벨 측정기에서 요구하는 최소 분해능인 1cm 이내를 만족하지 못하여 사용할 수 없게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-0968791호 (2010.07.01. 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 급격한 수위 변화에 의해 와이어가 풀리로부터 이탈하는 것을 방지하고, 액면레벨 계측장치를 신규로 설치하거나 설비의 유지보수를 위하여 액면의 레벨을 재설정해야하는 경우에 액면의 영점을 설정하는 기능을 제공하며, 2개의 절대형 엔코더를 이용하여 액면레벨 변화를 정밀하게 측정할 수 있고, 전원이 차단된 상태에서 액면레벨이 변동하는 경우에도 전원이 인가되는 즉시 액면레벨 변화를 계측할 수 있도록 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대치방식 액면레벨 계측장치 및 계측방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액면레벨 계측장치는 절대형 엔코더를 이용하여 액면레벨을 계측하는 장치에 있어서, 계측 대상이 되는 액면 위에 부상하여 액면의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트와; 상기 플로트의 상하 이동량을 타이밍벨트를 통하여 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍벨트 풀리와; 상기 타이밍벨트 풀리의 회전량을 전달받아, 타이밍벨트 풀리의 회전량을 감속기어를 통하여 결합된 2개의 절대형 엔코더를 통하여 측정하여 출력하는 절대변위계와; 상기 절대변위계의 절대형 엔코더 출력값을 분석하여 플로트의 절대위치 값을 계산하고, 계산된 플로트의 절대위치에 따른 액면레벨 값을 계산하는 액면계측 컨트롤러;를 포함한다.
여기에서, 상기 절대변위계는 타이밍벨트 풀리의 회전을 커플링을 통하여 전달받아 회전하는 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더와; 상기 회전축에 형성되는 기어와 맞물려 회전축의 회전 속도를 감속하는 복수의 기어로 이루어진 감속기어와; 상기 감속기어 중 마지막 단에 설치된 기어의 축에 설치되어, 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더;를 포함한다.
또한, 상기 액면계측 컨트롤러는 광역엔코더의 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더의 회전수에 정밀엔코더의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더의 값을 더하여 플로트의 절대위치 값을 계산한다. 여기에서, 상기 액면계측 컨트롤러는 정밀엔코더의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블을 검사하여, 상기 광역엔코더의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더의 회전수로 설정하되, 상기 광역엔코더 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고, 정밀엔코더의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우, 설정된 정밀엔코더의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하게 된다.
한편, 상기 일단이 플로트에 연결되어 타이밍벨트 풀리에 접촉하는 타이밍벨트의 타단에는 플로트와의 무게 균형을 맞추기 위한 평형추가 연결되고, 상기 타이밍벨트 풀리의 양측에는 급격한 수위 변화에 의해 타이밍벨트가 타이밍벨트 풀리로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해 타이밍벨트를 눌러주는 타이밍벨트 누름 베어링이 설치된다. 또한, 상기 타이밍벨트 풀리의 측면에는 동절기에 타이밍벨트가 타이밍벨트 풀리에 얼어붙는 것을 방지하는 위한 동결방지용 히터 및 온도조절장치가 설치되어, 타이밍벨트 풀리 및 타이밍벨트의 온도를 일정하게 유지하게 된다.
상기 절대변위계와 액면계측 컨트롤러는 액면레벨 검출장치에 설치되고, 상기 액면레벨 검출장치의 일측에는 액면의 영점을 설정하기 위한 영점설정 브라켓이 설치되고, 상기 영점설정 브라켓의 일측에는 액면레벨 검출장치의 수평 방향으로 연장되는 영점설정 수평자가 설치되어, 액면레벨 기준이 되는 기준 바닥면과 상기 영점설정 수평자의 윗면과의 높이 차에서 영점설정 브라켓의 크기를 뺀 값이 LCD & Key 보드를 통하여 액면계측 컨트롤러에 입력되어 플로트의 영점으로 설정되며, 상기 영점설정 브라켓의 아랫면에 플로트가 접촉된 상태에서 LCD & Key 보드의 영점 설정을 통하여 플로트의 영점이 설정된다.
여기에서, 상기 기준 바닥면의 고도를 'H0'이라 하고, 상기 기준 바닥면과 영점설정 수평자의 윗면과의 높이 차를 'H1'이라 하고, 상기 영점설정 수평자의 윗면과 영점설정면(164)과의 높이 차를 'H2'라고 할 때, 상기 영점설정면의 고도값은 'H3 = H0 + H1 -H2'로 계산되어 LCD & Key 보드를 통하여 액면계측 컨트롤러의 메모리에 입력되어 저장되며, 상기 플로트가 상승하여 영점설정면에 접촉된 상태에서 상기 LCD & Key 보드를 통하여 영점이 설정되면 상기 플로트의 위치가 'H3'의 값으로 설정되고, 상기 플로트가 'H4'의 위치로 이동한 경우에 수위값(Hw)은 'Hw = H3 - H4'로 계산된다.
한편, 상기 일단이 플로트에 연결되어 타이밍벨트 풀리에 접촉하는 타이밍벨트의 타단에는 타이밍벨트를 감는 타이밍벨트 권취장치가 연결되되, 상기 타이밍벨트 권취장치는 타이밍벨트를 감는 벨트감기 풀리와, 상기 타이밍벨트를 감기 위한 동력을 제공하는 벨트감기 스프링과, 상기 벨트감기 풀리와 벨트감기 스프링 사이를 연결하는 벨트감기 기어를 포함한다.
상기 액면계측 컨트롤러는 정밀엔코더로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부와, 상기 광역엔코더로부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부와, 상기 정밀엔코더 인터페이스부 및 광역엔코더 인터페이스부를 통하여 정밀엔코더 측정 신호 및 광역엔코더 측정 신호를 입력받아 분석하여 절대수위 값을 계산하는 마이크로 프로세서를 포함한다. 상기 마이크로 프로세서는 수면의 출렁임을 보정하여 정확한 액면레벨 값을 산출하기 위하여 Blackman window를 적용한 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)를 적용하여 측정값에서 차단주파수를 필터링하되, 상기 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)는 다음의 수학식을 통한 전달함수(h[i])를 통하여 차단주파수(fc)가 설정된다.
[수학식]
Figure 112016111918800-pat00001
(여기에서, fc는 차단주파수, M은 필터커널 길이, i는 샘플링 변수 0=i=M, K는 유니티게인 상수를 나타낸다)
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액면레벨 계측방법은 절대형 엔코더를 이용하여 액면레벨을 계측하는 방법에 있어서, 액면 위에 부상하여 액면의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트의 이동량이 타이밍벨트 및 타이밍벨트 풀리를 통하여 회전량으로 변환되는 단계와; 상기 타이밍벨트 풀리의 회전량을 전달받는 회전축에 결합된 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더에서 상기 회전축의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 액면계측 컨트롤러에 입력하는 단계와; 기 회전축의 회전 속도를 감속하는 감속기어에 설치된 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더에서 상기 감속기어에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 액면계측 컨트롤러에 입력하는 단계와; 상기 액면계측 컨트롤러에서 측정된 광역엔코더의 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더의 회전수에 정밀엔코더의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더의 값을 더하여 플로트의 절대위치값을 계산하고, 상기 계산된 플로트의 절대위치에 따른 액면레벨 값을 계측하는 단계;를 포함한다.
여기에서, 상기 액면계측 컨트롤러는 정밀엔코더의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블을 검사하여, 상기 광역엔코더의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더의 회전수로 설정하되, 상기 광역엔코더 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고, 정밀엔코더의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우, 설정된 정밀엔코더의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하게 된다.
본 발명의 절대치방식 액면레벨 계측장치 및 계측방법에 따르면, 급격한 수위 변화에 의해 와이어가 풀리로부터 이탈하는 것을 방지하고, 액면레벨 계측장치를 신규로 설치하거나 설비를 보수한 후 액면의 레벨을 재설정하는 경우에 액면의 영점을 설정하는 기능을 제공하며, 감속기어를 통하여 연결되는 정밀용 절대 엔코더와 광역용 절대 엔코더를 통하여 액면레벨 변화를 정밀하게 계측할 수 있으며, 일례로서 50 m의 거리를 0.48 mm 단위로 정밀하게 측정할 수 있어서 길이 측정 계측기로서는 가장 우수한 정밀도를 갖는다. 특히 2개의 절대형 엔코더를 이용함으로써 전원이 차단된 상태에서 수위가 변동하는 경우에도 전원이 인가되는 즉시 2개의 절대형 엔코더의 출력값을 이용하여 액면레벨 변화를 계산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절대 수위 계측장치의 평면 설치 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 절대 수위 계측장치의 정면 설치 개념도,
도 3는 본 발명에 따른 절대 수위 계측장치의 측면 설치 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 타이밍벨트 권취장치의 일례,
도 5은 본 발명에 따른 절대수위 계측장치에 구비된 절대변위계의 평면 부분 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 절대변위계에 구비된 정밀엔코더와 광역엔코더의 출력값 관계를 나타낸 도표,
도 7은 두 개의 기어 사이에 형성되는 일반적인 백래쉬의 일례,
도 8은 종래 일반적인 방식에 따라 광역엔코더 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도,
도 9는 본 발명에 따라 광역엔코더 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도,
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 정밀엔코더와 광역엔코더의 연속된 이동에 대한 시뮬레이션 결과를 엑셀 프로그램로 도시한 일례,
도 13은 본 발명에 따른 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 개념도,
도 14는 본 발명에 따른 액면계측 컨트롤러의 블럭 구성도,
도 15는 본 발명에 따른 절대수위 계측장치를 통하여 절대수위 값이 계측되는 과정을 나타낸 흐름도,
도 16은 본 발명에 따른 절대수위 계측장치에서 사용되는 파라메터의 구성 일례,
도 17 내지 도 19는 본 발명에 따른 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)의 특성 일례를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 절대치방식 액면레벨 계측장치의 평면 설치 개념도이고, 도 2는 절대 수위 계측장치의 정면 설치 개념도이며, 도 3는 절대 수위 계측장치의 측면 설치 개념도이고, 도 4는 절대 수위 계측장치의 타이밍벨트 권취장치 개념도를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 절대치방식 액면레벨 계측장치는 전원공급이 차단된 상태에서 액면레벨이 변동하는 경우에도 전원이 인가되는 즉시 절대 액면레벨을 검출할 수 있으며, 액면레벨 변동이 큰 경우에도 절대치 방식으로 액면레벨을 정밀하게 측정할 수 있는 장치이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 절대치방식 액면레벨 계측장치는 계측 대상이 되는 수면 위에 부상하여 수위의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트(157)와, 상기 플로트(157)의 상하 이동량을 회전량으로 변환하는 타이밍벨트 풀리(151)와, 상기 플로트(157)의 상하 이동량을 타이밍벨트 풀리(151)에 전달하기 위한 타이밍벨트(158)와, 상기 플로트(157)의 무게의 평형을 맞추기 위해 타이밍벨트(158)의 반대쪽에 설치되는 평형추(161)와, 상기 타이밍벨트 풀리(151)와 플로트(157)의 무게를 지지하기 위한 베어링 지지대(155)와, 상기 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 절대변위계(100)에 전달하기 위한 커플링(154)과, 상기 커플링(154)을 통하여 전달되는 회전량을 측정하여 출력하는 절대변위계(100)와, 상기 절대변위계(100)의 출력값을 분석하여 플로트(157)의 절대위치 값을 연산하여 액면레벨 값을 계측하는 액면계측 컨트롤러(200)와, 상기 액면계측 컨트롤러(200)의 상태 값을 표시하고 액면레벨 측정과 관련된 파라메터를 입력하기 위한 LCD & KEY보드(131)와, 액면계측 컨트롤러(200)의 상태 값을 외부에 무선방식으로 전송하기 위한 CDMA 모뎀 또는 LTE 모뎀 등의 무선통신부(160)를 포함하여 이루어진다. 상기 절대변위계(100)와 액면계측 컨트롤러(200)를 비롯하여, 타이밍벨트 풀리(151)의 회전축, 베어링 지지대(155), 커플링(154), LCD & KEY보드(131), 무선통신부(153) 등은 액면레벨 검출장치에 설치된다.
상기 액면레벨 검출장치(150)에 설치되는 절대변위계(100)는 커플링(154)을 통하여 전달되는 회전량을 측정하여 액면계측 컨트롤러(200)에 전송하게 되고, 액면계측 컨트롤러(200)는 절대변위계(100)를 통하여 측정된 회전량을 분석하여 플로트(157)의 상하 이동에 따른 절대위치를 계산하고 이를 통하여 절대수위 값인 액면레벨 값을 계산하게 된다.
본 발명의 실시 예에서 상기 절대변위계(100)는 절대형 엔코더를 통하여 플로트(157)의 상하 이동에 따른 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 측정하게 되는데, 이 절대형 엔코더는 전원공급이 차단된 후에도 이동량을 계측할 수 있어서 전원이 공급되는 즉시 타이밍벨트 풀리(157)의 회전량을 계측하여 액면계측 컨트롤러(200)에 전송하게 된다. 한편, 절대형 엔코더는 1회전 이내의 거리에 대한 이동량만을 측정할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 감속 기어로 연결된 2개의 절대형 엔코더를 이용함으로써 1회전 이내의 측정 한계를 극복하고, 상대적으로 긴 거리에 대한 이동량을 정밀하게 측정할 수 있도록 구성된다.
한편, 액면레벨 계측장치을 이용하여 하천 수위를 측정하는 경우 수위가 갑자기 높아지거나 큰 파고에 의해 플로트(157)가 급속히 상승하게 되면 타이밍벨트(158)가 타이밍벨트 풀리(151)에서 분리되거나 미끄럼이 발생하여 큰 오차를 발생하게 된다. 본 발명에서는 이를 보완하기 위하여 타이밍벨트 풀리(151)의 양측에 벨트누름 베어링(152)을 설치하여 타이밍벨트(158)가 타이밍벨트 풀리(151)에서 분리되지 않도록 밀착시키는 역할을 수행하도록 하였다. 또한, 동절기에 타이밍벨트(158)가 타이밍 풀리(151)에 얼어붙어서 측정이 곤란한 문제가 발생할 수 있는데, 본 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위하여 동결방지용 히터(153) 및 온도조절장치(156)을 타이밍벨트 풀리(151) 주변의 액면레벨 검출장치(150)에 설치하여 타이밍 벨트(158)과 타이밍 풀리(151)가 일정한 온도를 유지하여 얼어붙지 않도록 하였다.
또한, 하절기에 습기가 많아 액면계측 컨트롤러(200)의 내부 부품에 결로가 생기는 것을 방지하기 위하여 액면계측 컨트롤러(200)의 일측에 온습도 센서(167) 및 스페이스 히터(168)를 설치하여, 온습도 센서(167)에서 계측된 습도가 설정값 이상으로 높거나 계측된 온도가 설정값 이하로 내려가면 스페이스 히터(168)가 가동되어 습도를 낮추거나 온도를 높이도록 동작하게 된다.
한편, 상기 플로트(157)의 위치는 액면레벨 계측장치가 새로 설치되는 경우 또는 사용 중에 액면레벨을 점검하고자 하는 경우에 임의의 설정 값으로 영점을 설정해 주어야 한다. 즉, 플로트(157)를 통한 수위 측정시 측정 기준이 되는 영점인 영점 설정면(164)이 설정되어야 하는데, 본 발명의 실시 예에서 상기 영점설정면(164)은 높이조절 스큐류 형태로 이루어진 영점설정 조절장치(162)에 결합되어 높이조절용 너트를 통하여 높이가 조절되는 영점설정 브라켓(163)의 하부면 위치가 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 영점설정면(164)의 고도는 기준 바닥면(183) 과의 고도 편차를 통하여 계산되는데, 기준 바닥면(183)의 고도는 산업용 GPS를 기준 바닥면(183)에 장시간 설치한 후 위성으로부터 전송되는 고도 값을 평균하여 측정하거나, 시설물의 구조도면에 표시되어 있는 고도 값을 참조하여 결정할 수 있다. 이러한 기준 바닥면(183)과 영점설정면(164)의 고도 편차를 측정하기 위하여, 상기 고도기준 설정 브라켓(163)의 일측에는 영점설정 수평자(166)가 설치된다. 한편, 기준 바닥면(183)과 영점설정 브라켓(163) 상단 간의 거리를 디지털 줄자 또는 다른 측정장치를 이용하여 측정하여 고도편차를 측정하고, 이 값을 LCD & KEY보드(131)를 이용하여 액면계측 컨트롤러(200)에 입력한다.
예를 들면, 기준 바닥면(183)의 고도를 'H0'이라고 하고, 기준바닥면(183)과 영점설정 수평자(166)의 윗면과의 높이차를 'H1'이라 하고, 영점설정 수평자(166)의 윗면과 영점설정면(164)과의 높이차를 'H2'라고 할 때, 고도 영점설정 면(164)의 고도값(H3)은 'H3 = H0 + H1 - H2' 이 된다. 이때, 영점설정 조절장치(162)는 기준바닥면(183)과 영점설정 수평자(166)의 윗면과의 높이차 'H1'이 정수값이 아닐 때, 영점설정 조절장치(162)의 나사를 조절하여 영점설정 수평자(166)의 윗면 높이를 조절하여 임의의 정수값으로 설정하는데 이용된다.
상기 고도 영점설정면(164)의 고도값 'H3'을 LCD & Key 보드(131)를 통하여 입력하여 액면계측 컨트롤러(200)의 메모리에 저장하고, 플로트(157)를 들어올려 고도 영점설정면(164)에 접촉시킨 상태에서 LCD & Key 보드(131)를 통하여 영점을 설정하면 플로트(157)의 위치가 'H3'의 값으로 재설정된다.
만약, 플로트(157)가 수위 변화에 의해 'H4'의 위치로 이동한 경우에 수위값(Hw)은 'Hw = H3 - H4'로 표시된다.
한편, 액면레벨 계측장치가 외부의 바람의 영향으로 평형추(161)가 흔들리면서 플로트(154)에 연결된 타이밍벨트(158)에 엉켜서 작동이 불가능해지거나 플로트(157)가 설치되는 관의 직경이 작은 경우 평형추(161)의 설치가 곤란한 경우에 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위해 도 4에서와 같이 평형추(161)를 대신하여 타이밍벨트(158)를 감아 들이는 타이밍벨트 권취장치가 적용될 수 있다. 이러한 타이밍벨트 권취장치는 타이밍벨트(158)를 감는 벨트감기 풀리(187)와, 원형 스프링의 복원력을 이용하여 벨트감기 풀리(187)에 벨트를 감기위한 동력을 발생하는 벨트감기 스프링(184)과, 벨트감기 풀리(187)와 벨트감기 스프링(184)의 사이를 연결하는 벨트감기 기어A(185)와 벨트감기 기어B(185)로 구성된다.
이하에서는 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 커플링(154)을 통하여 전달받아, 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 측정하는 절대변위계(100)에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 절대변위계의 평면 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 절대변위계(100)는 커플링(154)을 통하여 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 전달받아 회전하는 회전축(104)과, 상기 회전축(104)에 결합되어 회전축(104)의 회전 각도에 따른 고유한 값을 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)와, 상기 회전축(104)에 형성되는 기어(105)와 맞물려 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)와, 상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전각에 따른 고유한 코드값을 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)를 포함하여 이루어진다.
상기 회전축(104)은 커플링(154)을 통하여 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 전달받아 회전하게 되는데, 이 회전축(104)에는 베어링(103)이 삽입되어 원활한 회전이 이루어질 수 있도록 구성된다.
상기 회전축(104)에 결합되는 정밀엔코더(112)는 회전축(104)의 1회전 내에서 이루어지는 임의의 회전 각도에 대한 고유한 코드값을 출력하는 절대형 방식의 엔코더로서, 이 정밀엔코더(112)는 분해능에 따라 회전축(104)의 회전에 따른 고유값을 출력함으로써 회전축(104)의 1회전 이내에서의 이동량을 정밀하게 측정하게 된다.
상기 회전축(104)에는 기어(105)가 형성되고, 이 기어(105)에는 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)가 결합되는데, 본 발명의 실시 예에서 감속기어(106)는 회전축(104)에 순차적으로 결합되어 회전축(104)의 회전 속도를 순차적으로 감속시키는 복수의 기어로 이루어진다. 즉, 본 발명의 실시 예에서 상기 감속기어(106)는 적정한 감속 비율을 갖는 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)를 포함하여 이루어져, 회전축(104)의 회전을 순차적으로 감속시켜 회전하게 되는데, 이러한 감속기어(106)의 수 및 기어비는 검출 대상물의 이동 범위에 따라 적절하게 변경될 수 있으며, 다른 감속방법으로 단일 부품으로 구성된 감속기 혹은 하모닉 드라이버 등을 사용할 수도 있다.
상기 회전축(104)의 회전 속도를 감속시키는 감속기어(106) 중 마지막 단에 위치하는 기어, 즉 제 3 기어(107c)의 축에는 광역엔코더(113)가 결합되는데, 이 광역엔코더(113)는 감속기어(106)에 의해 회전축(104)의 회전속도가 감속된 제 3 기어(170c)의 1회전 내에서 이루어지는 임의의 회전 각도에 대한 고유한 코드값을 출력하는 절대형 방식의 엔코더이다. 즉, 제 3 기어(107c)는 회전축(104)과의 감속 비율에 따라 회전축(104)이 여러 번 회전할 때 1회전을 하게 되는데, 상기 광역엔코더(113)는 분해능에 따라 제 3 기어(107c)의 1회전 이내에서의 회전 각도에 따른 고유값을 출력함으로써, 회전축(104)의 여러 회전에 해당하는 넓은 범위의 이동량을 측정할 수 있게 된다.
상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)를 통하여 출력되는 값은 액면계측 컨트롤러(200)로 전송되며, 액면계측 컨트롤러(200)는 정밀엔코더(112)가 설치된 회전축(104)과 광역엔코더(113)가 설치된 제 3 기어(107c)의 감속 비율 및 백러쉬 오차를 고려하여, 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 출력값을 분석함으로써 플로트의 상하 이동에 따른 절대수위 값인 액면레벨 값을 계산하게 된다.
상기의 구성으로 이루어진 절대변위계(100)는, 커플링(154)으로 연결된 타이밍벨트 풀리(151)의 회전에 따라 회전축(104)이 회전하게 되고, 회전축(104)의 회전에 따라 이 회전축(104)에 설치된 정밀엔코더(112)는 1회전 이내에서의 회전 각도에 따른 고유값을 출력하게 된다. 또한, 회전축(104)의 회전에 따라 이 회전축(104)에 결합된 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)로 이루어진 감속기어(106)는 감속하여 회전하게 되며, 감속기어(106)의 마지막 단, 즉 제 3 기어(107c) 축에 결합된 광역엔코더(113)는 1회전 이내에서의 회전 각도에 따른 고유값을 출력하게 된다. 상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 출력값은 액면계측 컨트롤러(200)에 의해 분석되어, 타이밍벨트 풀리(151)를 회전시키는 플로트(157)의 상하 이동에 따른 절대위치 값을 계산하고, 이를 통하여 액면레벨 값을 계산하게 된다.
이하에서는 액면계측 컨트롤러(200)에 의해 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 측정값이 분석되어 액면레벨 값이 계산되는 과정에 대하여 설명하기로 한다.
액면레벨을 의미하는 절대수위는 플로트(157)의 위치 변화에 따라 결정되므로, 기준 위치에서 수위 변화에 따라 이동하는 플로트(157)의 위치 변화를 계산함으로써 구해질 수 있다. 즉, 절대수위는 기준 바닥면을 기준으로 하여 플로트(157)의 이동한 거리를 계산하여 절대위치가 산출되는데, 이러한 플로트(157)의 절대위치는 광역엔코더(113) 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱하고 여기에 정밀엔코더(112) 값을 더함으로써 구해질 수 있다.
여기에서, 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 가장 쉬운 방법은 정밀엔코더(112)의 분해능이 1024 라고 할 때, 정밀엔코더(112)의 값이 1023에서 0으로 변경되는 순간에 정밀엔코더(112)의 회전수를 1 증가하고, 0에서 1023으로 변경되는 순간에 정밀엔코더(112)의 회전수를 1 감소시키는 방법이 있을 수 있다. 하지만, 이 방식은 전원을 켜는 순간에 광역엔코더(113)의 값을 읽어서 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산할 수가 없기 때문에 적용이 불가능하다. 또한, 이 방식은 전원이 차단되기 전의 회전수를 백업 메모리에 저장하고, 전원이 공급되면 이 값을 읽어서 이전까지의 회전수를 알 수는 있으나, 만약 전원이 차단된 후에 플로트가 이동했다면 이때 이동한 양은 계산할 수가 없기 때문에 결과적으로 플로트의 절대위치 측정에 적용이 불가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 정밀엔코더와 광역엔코더의 출력값 관계를 도표로 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 분해능이 1024 라고 할 때, 정밀엔코더(112)가 1회전 하는 동안 정밀엔코더(112)의 값은 0에서 1023까지 증가했다가 다시 0이 되고 다시 1023까지 증가하는 동작을 반복하게 되며, 이때 광역엔코더(113)는 감속기어(106)에 의하여 감속된 만큼 천천히 이동하게 된다.
여기서, 정밀엔코더(112)의 값을 Enc_A, 광역엔코더(113)의 값을 Enc_B, 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 분해능이 1024 라고 정의할 때, 플로트의 이동에 따른 절대위치 값은 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112016111918800-pat00002
여기서, f(Enc_B)는 광역엔코더(113)의 값 Enc_B를 변수로 하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 일련의 함수로서, 이 f(Enc_B)의 값이 정밀엔코더(113)의 회전수가 된다.
일반적으로 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 과정에 있어서, 회전축 기어와 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)의 상호 맞물림 사이에는 백래쉬가 있기 때문에, 회전축(104)의 회전방향이 바뀔 때 회전축(104)이 회전해도 광역엔코더(113)의 값이 변하지 않는 무응답 영역이 존재하게 된다.
또한, 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값이 정수가 아닌 경우가 대부분인데, 예를 들면, 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)의 기어 비율이 90 : 1 이고, 광역엔코더(113)의 분해능이 1024 라고 가정하면, 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값(A1)은 다음의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00003
상기 수학식 2에서와 같이 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값이 정수가 아니기 때문에, 또한 기어 사이에 존재하는 백래쉬 때문에 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 데에는 복잡한 과정을 거치게 된다.
먼저, 기어 사이에 존재하는 백래쉬에 대하여 설명하기로 한다.
도 7은 두 개의 기어 사이에 형성되는 일반적인 백래쉬의 일례를 나타낸 것으로, 두 기어 사이의 백래쉬 량을 dθ라고 가정하자.
일반적으로 백래쉬는 회전축(104)의 회전방향이 바뀌는 시점에서 발생하게 되는데, 본 발명의 절대위치 계측장치(100)에서 회전축(104)과 제 1 기어(107a) 사이의 백래쉬 량 및 기어비를 dθ1 및 Gr1 이라 하고, 제 1 기어(107a)와 제 2 기어(107b)의 백래쉬 량 및 기어비를 dθ2 및 Gr2 라 하며, 제 2 기어(107c)와 제 3 기어(107c)의 백래쉬 량 및 기어바를 dθ3 및 Gr3 이라 할 때, 회전축(104)으로부터 제 3 기어(107c) 사이의 형성되는 전체 백래쉬 량(Δθ)을 회전축(104) 기준으로 환산해 보면 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016111918800-pat00004
또한, 이 전체 백래쉬 량(Δθ)을 정밀엔코더(112)의 값(A2)으로 환산하면 다음의 수학식 4와 같이 표시될 수 있다.
Figure 112016111918800-pat00005
도 8은 종래 일반적인 방식에 따라 광역엔코 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 광역엔코더 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도를 나타낸 것이다.
일반적으로 플로트(157)의 절대위치 값은 광역엔코더(113)의 값을 정해진 계수로 나누어 정밀엔코더(112)의 회전수 계산하고, 이 값에 정밀엔코더(112)의 분해능 1024를 곱한 후, 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 절대위치 값을 계산하게 된다. 하지만, 광역엔코더(113)의 값은 실수가 아닌 정수형태로 출력되므로, 이로 인해 연산과정에서 라운드오프 에러(Round-off error)가 발생하여 정밀엔코더(112)의 값이 0에서 1023 또는 1023에서 0으로 바뀌는 부분에서 절대위치 값이 (+) 위치오차인 1024 또는 (-) 위치오차인 -1024 라는 큰 오차가 발생하게 된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하기 위하여, 엑셀 프로그램을 작성하여 정밀엔코더(112)의 값을 1씩 증가하면서 4회전한 후, 반대방향으로 1씩 감소하면서 절대위치 값이 0에 도달하는 과정에 대한 광역엔코더(113)의 값을 계산하는 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 백래쉬 량(Δθ)이 15인 경우를 가정하여 정밀엔코더(112)의 값이 증가하거나 감소하는 동안 방향이 바뀔 때마다 신호전달의 지연에 따른 광역엔코더(113)의 값이 변화하는 과정도 시뮬레이션 하였다. 이러한 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 연속된 이동에 대한 시뮬레이션 결과는 도 10 내지 도 12의 엑셀 프로그램으로 도시되어 있다.
도 10에 도시된 시뮬레이션 항목은 공통항목과 일반계산, 발명계산, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블로 구분되어 있는데, 각각의 항목은 다음과 같다.
[ 공통항목 ]
공통항목에서 B열은 1씩 증가하거나 1씩 감소하는 값으로 기준이 되는 절대위치를 나타내고, C열은 정밀엔코더(112)의 값이 1씩 증가하거나 1씩 감소하는 과정을 나타내며, E열은 백래쉬가 백래쉬 량(Δθ)이 15인 장치에서 백래쉬가 아래쪽으로 치우쳐 있는 경우를 가정하여 표시한 것이고, F열은 백래쉬 영향을 감안한 이론적인 광역엔코더(113)의 값을 나타내며, G열은 F열의 값을 정수화하여 실제 엔코더 출력과 같이 디지털 값으로 나타낸 것이다.
[ 일반계산 ]
일반계산 항목의 I열은 전체 행정에서 광역엔코더(113)의 값이 972이고 회전축(104)과의 기어비가 90 : 1 인 경우를 가정하여 계산한 정밀엔코더(112)의 회전수를 나타내고, J열은 정밀엔코더(112)의 회전수인 I열의 값에 정밀엔코더(112)의 분해능 1024를 곱하고 C열의 정밀엔코더(112) 값을 더한 값을 나타내며, K열은 절대위치 B열에서 J열(절대위치_일반)을 뺀 차이값을 나타낸 것이다.
[ 발명계산 ]
발명계산 항목에서 M열은 이론적 광역엔코더(113)의 값인 G열 값을 우측에 있는 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 참조하여 후술되는 수학식 17에 따라 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산한 값을 나타내고, N열은 M열에 표시한 정밀엔코더(112)의 회전수에 대한 다운스텝 밴드 값을 나타내며, O열은 후술되는 수학식 19에 따라 다운스텝 보정을 할 것인지 판단하여 다운스텝 보정을 행할 경우 1로 표시하고 다운스텝 보정을 하지 않는 경우 0으로 표시한 것이다. 또한, P열은 M열에 표시한 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능인 1024를 곱한 후 C열의 정밀엔코더(112) 값을 더한 값을 나타내고, Q열은 절대위치 B열에서 P열(절대위치_발명) 값을 뺀 차이값을 나타낸 것이다.
도 10에 표시된 일반계산은, C열에 표시한 정밀엔코더(112)의 값을 1씩 증가하거나 1씩 감소하는 전 과정에 대하여 이론적인 광역엔코더(113)의 값을 계산하고 정수화하여 G열에 표시하는데, G열의 값을 단순히 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값으로 나누어 I열에 정밀엔코더(112)의 회전수를 표시하며, 이 값에 C열의 정밀엔코더(112)의 분해능인 1024를 곱하고 정밀엔코더(112)의 값를 더하여 J열을 계산하는 과정을 나타낸다.
또한, 발명계산은, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 참조하여 공통항목의 이론적인 광역엔코더(113) 값인 G열 값을 이용하여 M열의 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능 1024를 곱하고 C열의 정밀엔코더(112)의 값를 더한 P열의 절대위치 값을 계산하는 과정을 나타낸다. 상기 발명계산에서 참조하는 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 T열은 스텝업 하한값을 나타내고, V열은 스텝업 상한값을 나타내며, U열은 정밀엔코더(112)의 값이 0 → 1023 또는 1023 → 0으로 변경되는 부분에서 절대위치 계산에 큰 오차가 발생하는 현상을 배제하기 위해 다운스텝 보정을 하기 위한 다운스텝 밴드값을 나타낸다. 상기 다운스텝 보정이란 도 4에서 설명한 정밀엔코더의 값이 0 → 1023 또는 1023 → 0으로 변경되는 부분에서 절대위치 값를 계산하는데 (+)위치오차 또는 (-)위치오차가 발생하는 현상을 배제하기 위하여, 광역엔코더(113)의 값이 다운스텝 밴드값 보다 작고, 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우에 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼주는 동작을 수행하는 것을 의미한다. 본 발명의 실시에에서 상기 다운스텝 하한값은 정밀엔코더(112) 분해능의 0~0.75 범위의 상수로 설정되는데, 이하에서는 상기 다운스텝 하한값이 정밀엔코더(112)의 분해능인 1024의 0.5, 즉 512로 설정된 예를 들어 설명하기로 한다.
도 13은 이러한 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 개념도를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에서 상기 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업 하한값(306)과 스텝업 상한값(308) 및 다운스텝 밴드값(307)을 산정하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 전체 행정에서 광역엔코더(113)의 값을 B1 이라 하고, 이때 정밀엔코더(112)의 회전수를 B2 라며, 이때 정밀엔코더(112)의 회전당 광역엔코더(113)의 값을 A3 이라고 하면, 앞에서 설명한 수학식 2는 다음의 수학식 5와 같이 변형될 수 있다. 이때, 수학식 5에서 정밀엔코더(112)의 1회전당 광역엔코더(113)의 값(A3)을 정수값으로 변환하기 위하여 int 함수를 이용하고 반올림을 위하여 0.5를 더하여 계산하였다.
Figure 112016111918800-pat00006
또한, 상기 정밀엔코더(112)의 회전당 광역엔코더(113)의 값(A3)을 이용하여, 전체 행정에서 정밀엔코더(112)의 회전수 N에 대한 스텝업 하한값(306)과, 스텝업 상한값(308) 및 다운스텝 밴드값(307)은 다음의 수학식을 통하여 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00007
Figure 112016111918800-pat00008
Figure 112016111918800-pat00009
여기서, A3은 수학식 5의 정밀엔코더 1회전당 광역엔코더의 값, N은 정밀엔코더의 회전수, int()는 실수를 정수로 변환하는 함수를 나타낸다. 또한, α는 0~0.499 범위의 상수이고, β는 0.5~0.999 범위의 상수이며, γ는 0~0.499 범위의 상수이다.
상기 수학식 6 내지 8을 통하여 계산된 스텝업 하한값(306)과 스텝업 상한값(308) 및 다운스텝 밴드값(307)을 토대로 도 10과 도 13의 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 작성하게 되는데, 도 10과 도 13의 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)은 α가 0.25로, β가 0.75로, γ가 0.25로 설정된 예를 나타낸 것이다. 이와 같이 설정되는 스텝업 하한값(306)은 T열에 표시되고, 스텝업 상한값(308)은 V열에 표시되며, 다운스텝 밴드값(307)은 U열에 표시된다.
상기 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 연속된 이동에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도 10의 엑셀 프로그램에서 각 행 번호는 순차적으로 증가하게 되는데, 다음의 수학식들은 엑셀 프로그램의 각 행 중 4행에 표시되는 항목별 시뮬레이션 값을 나타낸 것이다.
Figure 112016111918800-pat00010
Figure 112016111918800-pat00011
Figure 112016111918800-pat00012
Figure 112016111918800-pat00013
Figure 112016111918800-pat00014
Figure 112016111918800-pat00015
Figure 112016111918800-pat00016
Figure 112016111918800-pat00017
Figure 112016111918800-pat00018
Figure 112016111918800-pat00019
Figure 112016111918800-pat00020
Figure 112016111918800-pat00021
Figure 112016111918800-pat00022
Figure 112016111918800-pat00023
도 11에서는, C열의 정밀엔코더(112) 값 C1982가 955이고 G열의 광역엔코더(113)의 회전수 G1982는 21에서, 정밀엔코더(112)의 값이 956으로 변경되는 과정을 나타내고 있다.
[ 실시 예 1 (공통), 행 = 1982 ]
도 11에서 I열의 정밀엔코더(112) 회전수 I1982는 1이고, C열의 정밀엔코더(112) 값 C1982는 955이므로, 절대위치 값 J1982는 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00024
여기에서 정밀엔코더 값이 1 증가하는 경우의 절대위치 값을 일반적인 계산 방법과 본 발명에 의한 계산 방법으로 나누어 설명하기로 한다.
[ 실시 예 1A (일반계산 방법), 행 = 1983 ]
일반적인 계산 방법은, C열의 정밀엔코더(112) 값 C1983이 956으로 증가하면, G열의 광역엔코더(113) 회전수 G1983은 22로 변경되고, 일반계산 항목의 정밀엔코더(112)의 회전수 I1983은 다음의 수학식과 같이 G열의 광역엔코더(113) 회전수 G1982를 정밀엔코더(112) 1회전당 광역엔코더(113)의 값으로 나누어 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00025
또한, 이때의 절대위치 값인 J1983은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00026
이와 같이, 일반적인 계산 방법에 의하면, 절대위치_일반 J1983의 값은 3004가 되며, 이는 절대위치_일반 J1982의 값과 K1983과의 차이는 (+) 위치오차인 1024의 큰 오차가 발생하게 된다.
[ 실시 예 1B (발명계산 방법), 행 = 1983 ]
본 발명계산에 따르면, 광역엔코더(113) 회전수 G1983은 22이므로, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에서 이 값이 속하는 범위를 찾으면, 5행에서 하한값은 T5의 19, 상한값은 V5의 30, 다운스텝 밴드값은 U5 24에 해당하며, 이때 정밀엔코더(112) 회전수는 S5에서 2에 해당함을 알 수 있다.
이 상태에서 다운스텝 보정 여부를 판정해보면, 광역엔코더(113)의 값 G1983은 22이고, 정밀엔코더(112)의 회전수인 M1983은 2이며, 이때 다운스텝 밴드값 U5는 24이므로, G1983의 값 22가 U5의 값 24보다 작고, 정밀 엔코더 값 C1983이 956으로 다운스텝 하한값이 512 보다 커서, 다운스텝 보정판정 O1983이 1로 되어, 다운스텝 보정이 적용되어야 한다.
따라서, 이때의 절대위치 값은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00027
이와 같이, P1983의 값은 P1982에 비해 선형적으로 1이 증가하고 있음을 알 수 있다.
도 12에서는, 정밀엔코더(112) 값이 1씩 감소하는 상태에서 정밀엔코더(112) 값 C열에 대한 절대위치 값을 계산한 결과를 나타내고 있다.
[ 실시 예 2 (공통), 행 = 6447 ]
도 12에서, 정밀엔코더(112) 값이 C6447의 0에서 C6448의 1023으로 변경하는 과정에서, C열의 정밀엔코더(112) 값 C6447이 0이고, I열 정밀엔코더(112) 회전수 I6447는 2이므로, 절대위치 값 J6447은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00028
여기에서 행이 1 감소하는 경우의 절대위치 값을 일반적인 방법에 의해 계산 방법과 본 발명에 의한 계산 방법으로 나누어 설명한다.
[ 실시 예 2A (일반계산 방법), 행 = 6448 ]
일반적인 계산 방법은, C열의 정밀엔코더(112) 값이 C6448에서 1023으로 바뀌는 경우, G열의 광역엔코더(113)의 회전수 G6448은 22로 변경이 없으며, I열 정밀엔코더(112) 회전수 I6448는 2이므로, 절대위치 값 J6448은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00029
이와 같이, 일반적인 계산 방법에 의하면, 절대위치_일반 J6448의 값은 3071가 되며, 이는 절대위치_일반 J6447의 값과 K6448과 같이 1024의 큰 오차가 발생하게 된다.
[ 실시 예 2B (발명계산 방법), 행 = 6448 ]
본 발명계산에 따르면, 광역엔코더(113) 회전수 G6448은 22이므로, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에서 이 값이 속하는 범위를 찾으면, 5행에서 하한값은 T5의 19, 상한값은 V5의 30, 다운스텝 밴드값은 U5 24에 해당하며, 이때 정밀엔코더(112) 회전수는 S5에서 2에 해당함으로 알 수 있다.
이 상태에서 다운스텝 보정 여부를 판정해보면, 광역엔코더(113)의 값 G6448은 22이고, 정밀엔코더(112)의 회전수인 M6448은 2이며, 이때 다운스텝 밴드값 U5는 24이므로, G6448의 값 22가 U5의 값 24보다 작고, 정밀 엔코더 값 C6448이 1023으로 다운스텝 하한값인 512 보다 커서, 다운스텝 보정판정 O6448이 1로 되어, 다운스텝 보정이 적용되어야 한다.
따라서, 이때의 절대위치 값은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00030
이와 같이, P6448의 값은 P6447에 비해 선형적으로 1이 감소하고 있음을 알 수 있다.
상기 도 10 내지 도 13을 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 광역엔코더(113)의 값에 따라 스텝업 하한값 및 스텝업 상한값, 다운스텝 밴드값을 적용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고 이를 바탕으로 절대위치 값를 계산함으로써, 정밀엔코더(112)의 회전수가 0 → 1023 또는 1023 → 0으로 변경되는 부분에서 (+) 위치오차 또는 (-) 위치오차를 완전히 배제할 수 있어 선형적으로 정확한 절대위치 값을 계산할 수 있게 된다.
이하에서는, 플로트(157)의 절대위치를 통하여 절대 수위를 계산하는 액면계측 컨트롤러(200)의 구성 및 동작에 대하여 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 액면계측 컨트롤러의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액면계측 컨트롤러(200)에는 정밀엔코더(112)로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부(204)와, 광역엔코더(113)로부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부(206)와, 상기 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 측정 신호를 분석하여 절대수위 값을 계산하는 마이크로 프로세서(201)가 구비되어 있다. 또한, 상기 액면계측 컨트롤러(200)에는 전원 공급을 위한 DC/DC 컨버터(208)와, 각종 파라메타 및 변수가 저장되는 FRAM 메모리(203)와, 외부 장치와의 통신을 위한 RS-232C 통신부(209) 및 RS-485 통신부(210)와, 액면 레벨 값을 외부로 출력하는 액면레벨값 출력부(211)와, 장치의 동작 범위를 제한하기 위한 리미트 신호를 외부 제어장치로 전송하는 리미트 신호 출력부(212)와, 광신호를 송수신하는 광신호 송수신부(213)와, 이더넷 방식으로 데이터를 전송하는 이더넷 통신부(214)와, 무선방식으로 데이터를 송수신하는 무선 송수신부(215)가 구비된다.
상기 정밀엔코더 인터페이스부(204)에는 정밀엔코더(112)가 연결되는데, 이 정밀엔코더 인터페이스부(204)는 정밀엔코더(112)로부터 입력되는 신호의 레벨을 조절하고, RC 필터를 통하여 노이즈가 혼입되는 현상을 방지하며, 신호를 2진수로 변환하여 마이크로 프로세서(201)에 입력하는 역할을 하게 된다. 상기 RC 필터의 시정수는 정밀엔코더(112)의 최대 주파수보다 높게 설계되는 것이 바람직하다.
상기 광역엔코더 인터페이스부(206)에는 광역엔코더(113)가 연결되는데, 이 광역엔코더 인터페이스부(206)는 광역엔코더(113)로부터 입력되는 신호의 레벨을 조절하고, RC 필터를 통하여 노이즈가 혼입되는 현상을 방지하며, 신호를 2진수로 변환하여 마이크로 프로세서(201)에 입력하는 역할을 하게 된다. 상기 RC 필터의 시정수 또한 광역엔코더(113)의 최대 주파수보다 높게 설계되는 것이 바람직하다.
상기 DC/DC 컨버터(208)는 외부 DC 24V 전원(123)을 DC 5V로 변환하여 액면계측 컨트롤러(200)의 동작 전원으로 공급하는 기능을 수행하게 된다.
상기 마이크로 프로세서(201)는 정밀엔코더 인터페이스부(204) 및 광역엔코더 인터페이스부(206)를 통하여 입력되는 신호를 분석하여 플로트(157)의 절대위치 및 액면레벨 값을 계산하게 되는데, 이 마이크로 프로세서(201)의 내부에는 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 측정 신호를 분석하여 절대수위 값을 계산하는 프로그램이 내장되는 Flash 메모리와, 각종 변수가 저장되는 SRAM이 구비되어 있다. 상기 마이크로 프로세서(201)에는 USB 포트(202)가 연결되는데, 이 USB 포트(202)에는 노트북 컴퓨터(130)가 연결되어, 노트북 컴퓨터(130)와 마이크로 프로세서(201)가 USB 통신방식으로 통신을 수행함으로써, 노트북 컴퓨터(130)에서 마이크로 프로세서(201)에 동작 프로그램을 전송하거나 파라메터 값을 전송하여 설정할 수 있도록 한다.
상기 FRAM 메모리(203)는 전원이 차단되어도 내용이 지워지지 않는 불휘발성 메모리로서, 이 FRAM 메모리(203)에는 노트북 컴퓨터(130)나 외부 장치에서 전송하는 파라메터 값를 저장하거나 중요한 변수값을 저장하는 기능을 수행하게 된다.
상기 RS-232C 통신부(209)는 외부 키보드 또는 LCD & Key 보드(131) 등과 같은 외부 장치와 통신을 하는 회로로서, 이 RS-232C 통신부(209)와 연결된 키보드를 통하여 파라메터의 입력 또는 수정이 이루어질 수 있으며, 동작상태가 LCD & Key 보드(131)에 표시되게 되는데, 키보드가 눌린 상태 또는 장치의 상태 및 경보 상태가 부져를 통하여 표시될 수 있도록 하는 기능도 수행하게 된다.
상기 RS-485 통신부(210)는 반이중 통신 방식에 의하여 CDMA 모뎀(153) 또는 LTE 모뎀 등에 절대수위 값이나 동작상태 값을 전송하는 기능을 수행하는 통신회로로서, 이 RS-485 통신부(210)는 MODBUS-RTU 또는 MODBUS-ASCII 또는 CAN 통신 또는 CC-Link 방식으로 해당 파라메터에 지정된 특정한 PLC 프로토콜 등의 프로토콜을 통하여 신호를 전송하게 된다. 또한, 이 RS-485 통신부(210)는 외부에 메디아 변환기를 설치하여, CDMA 모뎀, LTE 모뎀, WIFI, ZIGBEE 등 무선으로 신호를 변환하여 데이터를 송수신하는 기능도 수행하게 된다.
상기 액면레벨값 출력부(211)는 마이크로 프로세서(201)에 의해 계산된 절대수위 값을 상위 감시장치A(132)로 출력하는 회로로서, 이 레벨값 출력부(211)는 광절연소자를 이용하여 릴레이 또는 오픈 콜렉터 소자를 구동하기 위한 전압으로 변환하여 릴레이 접점신호 또는 오픈 콜렉터 출력신호로 출력하는 기능을 수행하게 된다. 상기 액면레벨값 출력부(211)를 통하여 출력되는 신호의 형태는, 후술되는 도 16에서와 같이 Para_Output 파라메터에 설정된 값에 따라 값이 1이면 BCD 신호, 값이 2이면 바이너리 신호, 값이 3이면 그레이코드 형태로 출력된다.
상기 리미트신호 출력부(212)는 절대 위치값이 설정된 위치값_1에 도달하거나 초과하면 신호를 상위 제어장치B(133)에 출력하는 Para_Pos1 과, 절대 위치값이 설정된 위치값_2에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos2 가 있다.
상기 광신호 송수신부(213)는 글래스 옵틱 파이버 또는 플라스틱 옵틱 파이버의 신호를 입력받거나 출력하는 회로로서, 외부의 광신호 변환장치(134)와 광섬유를 통하여 외부와 데이터를 송수신함으로써 신호선을 통하여 외부로부터 유입되는 써지신호를 차단하여 장치를 보호하는 기능을 수행하게 된다.
상기 이더넷 통신부(214)는 이더넷을 메디아로 사용하는 MODBUS-TCP 또는 EtherCAT, EthernetIP, Profinet, CC Link IE 등의 프로토콜로 데이터를 상위 감시장치C(135)에 전송하게 된다.
상기 무선 송수신부(215)는 액면레벨 계측장치가 외부 별도 위치에 설치되는 경우가 많으므로 계측된 수위값을 메인 감시장치로 무선으로 전송하기 위한 장치로서, 이 무선 송수신부(215)는 ZIGBEE, WIFI 또는 데이터전송용 주파수인 424MHz 무선방식으로 데이터를 변조하여 외부에 설치되는 안테나(136)를 통하여 외부장치에 데이터를 송신하고 수신하는 역할을 수행한다.
상기의 구성으로 이루어진 액면레벨 컨트롤러(200)는, 먼저 플로트(157)가 영점설정면(164) 위치에 도달하면, LCD & Key 보드(131)의 영점 입력을 통하여, 마이크로 프로세서(201)는 정밀엔코더 인터페이스부(204) 및 광역엔코더 인터페이스부(206)를 통하여 입력된 이때의 정밀엔코더(112)의 값과 광역엔코더(113)의 값을 즉시 FRAM 메모리(203)에 할당된 정밀엔코더 영점값 영역과 광역엔코더 영점값 영역에 저장하게 된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 정밀엔코더 영점값과 광역엔코더 영점값은 측정에서 기초가 되는 중요한 값이므로 연속해서 3개를 저장하며, 전원 공급 후 파라메터를 읽는 과정에서 3개의 값을 비교하여 이중 하나의 값이 틀리더라도 나머지 2개의 값이 일치하면 올바른 값으로 인식하도록 하여 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하였다.
상기 과정을 통하여 영점값이 설정되면, 마이크로 프로세서(201)는 정해진 매 스캔마다 광역엔코더 인터페이스부(206)를 통하여 입력되는 원시 광역엔코더(113) 값에서 광역엔코더(113) 영점값을 뺀 결과값을 광역엔코더(113) 값으로 계산하고, 정밀엔코더(112)의 값도 정밀엔코더 인터페이스부(204)를 통하여 입력되는 원시 정밀엔코더(112) 값에서 정밀엔코더(112) 영점값을 뺀 결과값으로 계산하게 된다. 즉, 광역엔코더(113) 값 및 정밀엔코더(112) 값은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112016111918800-pat00031
Figure 112016111918800-pat00032
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 절대수위 계측장치를 통하여 절대위치 값이 계측되는 과정을 나타낸 흐름도이다.
단계 S100 : 정주기 인터럽트(1ms)을 통하여 측정이 시작되면, 수면 위에 부상하여 수위의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트(157)의 이동량이 타이밍벨트(158) 및 타이밍벨트 풀리(151)를 통하여 회전량으로 변환되어 절대변위계(100)로 전달되게 된다. 이에 따라, 절대변위계(100)에 구비된 절대엔코더(112) 및 광역엔코더(113)는 회전에 따른 출력 값을 액면계측 컨트롤러(200)에 전송하게 된다. 액면계측 컨트롤러(200)에서 먼저 광역엔코더 값(A)을 계산하게 되는데, 광역엔코더 값(A)은 수학식 30에서와 설명한 바와 같이 광역엔코더 인터페이스부(203)를 통하여 입력되는 원시 광역엔코더 값(A0)에서 설정된 광역엔코더(113)의 영점값을 뺀 값이 된다.
단계 S110 : 광역엔코더 값(A)이 계산되면, 정밀엔코더 값 또한 계산하게 되는데, 정밀엔코더 값(B)은 수학식 31에서 설명한 바와 같이 정밀엔코더 인터페이스부(202)를 통하여 입력되는 원시 정밀엔코더 값(B0)에서 설정된 정밀엔코더(112)의 영점값을 뺀 값이 된다.
단계 S120, S130 : 상기 과정을 통하여 계산된 광역엔코더 값(A) 및 정밀엔코더 값(B)을 통하여 절대위치 값을 계산하기 위해, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에서 정밀엔코더(112)의 회전수를 찾기 위한 값인 스텝업 인덱스 값은 0으로 설정하며(S120), 이 스텝업 인덱스 값에 대한 스텝업_상한값과 스텝업_하한값 및 다운스텝_밴드값을 읽어 들인다(S130).
단계 S140, S141, S142 : 다음으로 다운스텝 보정을 수행할지 결정하기 위해, 먼저 광역엔코더 값(A)이 스텝업_하한값보다 같거나 큰지를 판단하게 된다(S140). 만약, 광역엔코더 값(A)이 스텝업_하한값보다 작다면, 스텝업 인덱스를 1 증가시킨 후(S141), 증가된 스텝업 인텍스 값이 최대 인덱스 값보다 크거나 같은지를 판단하여 작으면 상기 단계 S130으로 이동하고 크거나 같으면 정밀위치 계산 과정을 종료하게 된다(S142).
단계 S150 : 만약, 광역엔코더 값(A)이 스텝업_하한값보다 크거나 같다면, 광역엔코더 값(A)이 스텝업_상한값보다 작은지를 판단하게 되는데, 만약 광역엔코더 값(A)이 스텝업_상한값보다 작지 않다면 상기 단계 S413으로 이동하여 스텝업 인덱스 값을 1 증가하는 과정을 수행하게 된다.
단계 S160 : 광역엔코더 값(A)이 스텝업 하한값보다 크거나 같고 스텝업 상한값보다 작다면, 스텝업 인덱스 값을 정밀엔코더(112)의 회전수로 입력하게 된다.
단계 S170, S180, S190 : 다운스텝 보정 적용 여부를 판단하기 위해, 광역엔코더 값(A)이 다운스텝 밴드값보다 작은지를 판단하고(S170), 작은 경우 정밀엔코더 값(B)이 다운스텝 하한값, 즉 512 보다 큰지를 판단하여(S180), 큰 경우 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼주는 연산을 하게 된다(S190). 한편, 광역엔코더 값(A)이 다운스텝 밴드값보다 작지 않거나 정밀엔코더 값(B)이 다운스텝 하한값인 512보다 크지 않다면, 다운스텝 보정을 적용하지 않게 된다. 상기 다운스텝 하한값 512는 정밀엔코더(112)의 분해능이 1024인 경우 정밀엔코더 분해능의 0.5로 설정된 값으로, 이는 정밀엔코더 분해능의 0~0.75 범위 내에서 적절히 변경될 수 있다.
단계 S200 : 상기 과정을 통하여 정밀엔코더(112)의 회전수가 계산되면, 상술한 수학식 1에 따라 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱하고 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 절대위치 값을 연산하게 된다.
단계 S210 : 상기의 과정을 통하여 계산된 절대위치 값은 플로트(157)의 절대위치 값이 되며, 이는 수위변화에 따른 플로트(157)의 위치 이동값, 즉 타이밍벨트(158) 이동값을 의미한다. 따라서, 액면계측 컨트롤러(200)는 기준 바닥면 고도 + 기준 설정면의 높이 편차 - 플로트의 타이밍벨트 풀림길이를 계산하여 절대 수위값, 즉 액면레벨 값을 계산한 후, 정주기 인터럽트를 종료하게 된다.
도 16은 본 발명이 적용되는 기술 분야에 따라 다양한 용도로 사용될 수 있도록 적정하게 설정하는 파라메터의 일례를 나타낸 것으로, 마이크로 프로세서(201)는 LCD & Key 보드(131) 또는 USB 포트(202) 또는 RS-485 통신부(210)를 통하여 외부 장치로부터 파라메터를 입력받아 이를 FRAM 메모리(205)에 저장하고, 전원이 공급되는 순간 리셋 동작에서 마이크로 프로세서(201)의 각 해당 변수를 초기화 하여 다양한 연산과 기능을 구현하도록 설정한다.
각 파라메터에 대하여 설명하면, 연산단위를 mm 혹은 cm 를 설정하는 Para_Unit 와, 액면레벨이 저수위일때는 타이밍벨트 무게가 플로트(158)쪽으로 치우쳐 평형추(161) 무게를 상쇄하도록 작용하고 액면레벨이 고수위일때는 타이밍벨트 무게가 평형추(161) 쪽으로 치우쳐 평형추(161) 무게에 더해지도록 작용하여 액면 레벨에 따라 타이밍벨트 무게가 플로트(158)를 들어 올리거나 더 가라앉게 작용하는 현상에 대한 타이밍벨트의 무게보정을 수행할지를 설정하는 Para_Comp 와, 연산값에 초기 옵셋값을 더하거나 빼는 값을 설정하는 Para_Offset 과, 출력 형태를 BCD 혹은 바이너리로 설정하는 Para_Output 과, 통신속도를 설정하는 Para_Baud 와, 실제 물리량 1000 mm 에 대한 절대 위치값의 비율을 설정하는 Para_Ratio 와, 절대 위치값이 설정된 위치값_1에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos1 과, 절대 위치값이 설정된 위치값_2에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos2 가 있다.
한편, 댐 수위를 계측함에 있어 바람이나 너울에 의해 수위가 변동하거나 발전기의 기동과 정지에 의해 일시적으로 큰 수위변동이 발생하여 방류량 계산에 음수값이 산출되는 현상 등이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 현상을 배제하고 정확한 수위를 계측하기 위하여 측정된 값을 디지털 필터에 적용하여 액면레벨 값을 산출하는 방법을 이용하게 되는데, 이하에서는 이러한 디지털 필터의 한 예로서 이상적인 로우패스 필터의 주파수 특성을 갖는 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)를 적용한 예를 설명한다.
신호처리 방법에는 저항, 콘덴서, 코일을 이용한 아날로그 필터방식과 프로세서의 프로그램에 의하여 필터 기능을 구현하는 디지털 필터방식으로 구분되며, 디지털 필터방식에는 시간영역(Time domain)에서 계산하는 방식과 주파수 영역(Frequency domain)에서 계산하는 방식으로 나누어진다. 상기 디지털 필터방식의 시간영역에서 계산하는 방식은 IIR 방식(Infinite Impulse Response Methode), FIR 방식(Finite Impulse Response Methode)이 있으며, 주파수 영역 방식은 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier transform)을 이용하여 신호 중에서 특정한 영역의 주파수 성분만 발췌하여 사용하는 방식으로 계산량이 비교적 적으면서도 용이하고 필터성능이 우수한 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter) 계산 방식이 많이 적용되고 있다.
도 17과 도 18 및 도 19는 이러한 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)의 특성을 나타낸 것으로, 상기 윈도우드 싱크 필터는 통과 대역 내에서는 완벽하게 평탄한 특성을 가지고 있어 모든 진폭을 그대로 통과하는 특성을 가지나, 차단 주파수(cut-off frequency) 보다 높은 주파수는 모두 차단하는 특성을 갖고 있다.
결과적으로 이 윈도우드 싱크 필터 (windowed-sinc filter)의 차단주파수를 적절히 설정하면 바람이나 너울에 의한 수면의 파고 또는 일시적인 큰 수위변동을 제거한 정확한 수위 연산값 측정이 가능해진다. 이 필터의 전달함수(h[i])는 다음의 수학식으로 표시되는데, 여기에서 fc는 차단 주파수를 나타낸다.
Figure 112016111918800-pat00033
상기 수학식에 차단주파수에 대하여 좀 더 효율적인 필터기능을 구현하기 위하여 Blackman window를 적용한 수식은 다음의 수학식과 같이 표시된다.
Figure 112016111918800-pat00034
여기에서, fc는 차단주파수, M은 필터커널 길이, i는 샘플링 변수로서 0=i=M, K는 유니티게인 상수를 나타낸다. 상기 차단 주파수(fC) 대한 밴드폭 BW와 필터 샘플링 수(M)의 관계는 다음의 수학식과 같이 표현된다.
Figure 112016111918800-pat00035
도 17은 이러한 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)의 차단 주파수(FC)가 0.0015 Hz 이고, 샘플링 수(M)가 600개인 필터의 특성을 나타낸 것이다.
먼저, 상기 수학식 35에 i값을 -300에서 300을 대입하여 일련의 연산을 거쳐 H[i]의 값을 연산한 후, 이 값을 모두 더한 값으로 나눈 H[i]/SUM의 값을 계산한다.
여기서 유니티게인 상수(K)는 주파수가 0인 상태, 즉 DC 입력신호가 일정한 상태에서 무한시간이 경과하여도 출력신호가 변동 없이 그대로 출력되도록 설계되어야 하므로, 모든 필터상수의 합이 1.0이 되도록 하기 위하여 H[i]의 값을 모두 더한 값(SUM)으로 나누는, 즉 H[i]/SUM 으로 균일화(노오말라이즈)하는 상수이다.
측정된 수위값에 순차적으로 H[i]/SUM의 계수를 곱한 후, 이 값들을 모두 적산하면 필터가 적용된 수위값을 얻을 수 있게 된다.
도 18의 (a)는 sin(2π·fc·i) 에 i값을 -300에서 300으로 대입하여 계산한 값을 그래프로 표시한 것이며, (b)는 일련의 계산을 거친 최종적인 H[i]/SUM의 값을 그래프로 표시한 것이다.
도 19는 적용하는 윈도우드 싱크 필터의 특성을 시험하기 위하여 가상으로 수면의 흔들리는 경우를 시뮬레이션 한 일례로서, 수면이 바람으로 인하여 작은 파동이 발생하는 것을 가정하여 주기와 진폭이 각기 다른 3개의 신호를 합성하였고, 여기에 발전기가 기동하여 수면이 갑자기 요동치거나 배가 지나가는 경우를 가정하여 2개의 양수(+) 방향의 큰 외란과 2개의 음수(-) 방향의 큰 외란(Pd)을 가정하여 시험하였으며, 이때 시험하는 수위값(input_val)은 다음의 수학식과 같이 표현된다.
Figure 112016111918800-pat00036
도 19에서 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)의 연산 결과를 'SINC 필터출력'으로 표시하였고, 다른 연산 예로서 IIR 필터의 연산 결과를 'IIR 평균값'으로 표시하였다.
이를 더 상세히 설명하면, 바람과 너울에 의하여 수시로 변하는 수위변동과 발전기의 기동과 정지에 따른 20cm 크기의 큰 외란을 5초 동안 발생한 경우를 가정하여 시뮬레이션 하였는데, 윈도우드 싱크 필터를 적용하면 연산결과로 불과 3cm의 수위 변동을 갖는 매우 안정적인 수위 값을 산출할 수 있게 됨을 알 수가 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 액면레벨 계측장치는 절대변위계(100)와 액면계측 컨트롤러(200)를 통하여 수위 변화에 따라 이동하는 플로트(157)의 절대 위치를 계산하고 이를 통하여 절대 수위 값인 액면레벨을 계측할 수 있게 된다. 또한, 측정된 값을 디지털 필터인 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)에 적용함으로써 갑작스런 수위 변화에도 안정적인 수위 값 산출이 가능해지다.
이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 절대변위계 103 : 베어링
104 : 회전축 105 : 회전축 기어
106 : 감속기어 107a : 제 1 기어
107b : 제 2 기어 107c : 제 3 기어
112 : 정밀엔코더 113 : 광역엔코더
123 : DC 24V 전원 130 : 노트북 컴퓨터
131 : LCD & Key 보드 132 : 상위 감시장치A
133 : 상위 제어장치B 134 : 광신호 변환장치
135 : 상위 감시장치C 136 : 안테나
150 : 액면레벨 검출장치 151 : 타이밍벨트 풀리
152 : 벨트누름 베어링 153 : 동결방지용 히터
154 : 커플링 155 : 베어링 지지대
156 : 온도조절장치 157 : 플로트
158 : 타이밍벨트 160 : 무선통신부
161 : 평형추 162 : 영점설정 조절장치
163 : 영점설정 브라켓 164 : 영점설정면
166 : 영점설정 수평자 167 : 온습도 센서
168 : 스페이스 히터 183 : 기준바닥면
184 : 벨트감기 스프링 185 : 벨트감기 기어A
186 : 벨트감기 기어B 187 : 벨트감기 풀리
200 : 액면계측 컨트롤러 201 : 마이크로 프로세서
202 : USB 포트 203 : FRAM 메모리
204 : 정밀엔코더 인터페이스부 206 : 광역엔코더 인터페이스부
208 : DC/DC 컨버터 209 : RS-232C 통신부
210 : RS-485 통신부 211 : 액면레벨 출력부
212 : 리미트신호 출력부 213 : 광신호 송수신부
214 : 이더넷 통신부 215 : 무선 송수신부

Claims (13)

  1. 액면 위에 부상하여 액면의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트(157)와; 상기 플로트(157)의 상하 이동량을 타이밍벨트(158)를 통하여 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍벨트 풀리(151)와; 상기 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 전달받는 회전축(104)에 설치되어 회전축(104)의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112), 상기 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106), 상기 감속기어 축에 설치되어 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)가 구비된 절대변위계(100)와; 상기 절대변위계(100)의 출력값을 분석하여 플로트(157)의 절대위치 값을 계산하고 계산된 플로트(157)의 절대위치에 따른 액면레벨 값을 계산하는 액면계측 컨트롤러(200);를 포함하는 액면레벨 계측장치로서,
    상기 액면계측 컨트롤러(200)는 상기 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 플로트(157)의 절대위치 값을 계산하되,
    상기 액면계측 컨트롤러(200)는 상기 정밀엔코더(112)의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 검사하여, 상기 광역엔코더(113)의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더(112)의 회전수로 설정하고, 상기 광역엔코더(113) 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우 설정된 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 타이밍벨트 풀리(151)에 플로트(157)의 상하 이동량을 전달하는 타이밍벨트(158)의 일단에는 플로트(157)가 연결되고, 타단에는 상기 플로트(157)와의 무게 균형을 맞추기 위한 평형추(161)가 연결되며,
    상기 타이밍벨트 풀리(151)의 양측에는 급격한 수위 변화에 의해 타이밍벨트(158)가 타이밍벨트 풀리(151)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해 타이밍벨트(158)를 눌러주는 타이밍벨트 누름 베어링(152)이 설치되는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 타이밍벨트 풀리(151)의 측면에는 동절기에 타이밍벨트(158)가 타이밍벨트 풀리(151)에 얼어붙는 것을 방지하는 위한 동결방지용 히터(153) 및 온도조절장치(156)가 설치되어, 타이밍벨트 풀리(151) 및 타이밍벨트(158)의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 절대변위계(100)와 액면계측 컨트롤러(200)는 액면레벨 검출장치(150)에 설치되고, 상기 액면레벨 검출장치(150)의 일측에는 액면의 영점을 설정하기 위한 영점설정 브라켓이 설치되고, 상기 영점설정 브라켓(163)의 일측에는 액면레벨 검출장치(150)의 수평 방향으로 연장되는 영점설정 수평자(166)가 설치되어,
    액면레벨 기준이 되는 기준 바닥면(183)과 상기 영점설정 수평자(166)의 윗면과의 높이 차에서 영점설정 브라켓(163)의 크기를 뺀 값이 LCD & Key 보드(131)를 통하여 액면계측 컨트롤러(200)에 입력되어 플로트(157)의 영점으로 설정되며,
    상기 영점설정 브라켓(163)의 아랫면에 플로트(157)가 접촉된 상태에서 LCD & Key 보드(131)의 영점 설정을 통하여 플로트(157)의 영점이 설정되는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기준 바닥면(183)의 고도를 'H0'이라 하고, 상기 기준 바닥면(183)과 영점설정 수평자(166)의 윗면과의 높이 차를 'H1'이라 하고, 상기 영점설정 수평자(166)의 윗면과 영점설정면(164)과의 높이 차를 'H2'라고 할 때,
    상기 영점설정면(164)의 고도값(H3)은 'H3 = H0 + H1 -H2'로 계산되어 LCD & Key 보드(131)를 통하여 액면계측 컨트롤러(200)의 메모리에 입력되어 저장되며,
    상기 플로트(157)가 상승하여 영점설정면(164)에 접촉된 상태에서 상기 LCD & Key 보드(131)를 통하여 영점이 설정되면 상기 플로트(157)의 위치가 'H3'의 값으로 설정되고,
    상기 플로트(157)가 'H4'의 위치로 이동한 경우에 수위값(Hw)은 'Hw = H3 - H4'로 계산되는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 타이밍벨트 풀리(151)에 플로트(157)의 상하 이동량을 전달하는 타이밍벨트(158)의 일단에는 플로트(157)가 연결되고, 타단에는 상기 타이밍벨트(158)를 감는 타이밍벨트 권취장치가 연결되되,
    상기 타이밍벨트 권취장치는 타이밍벨트(158)를 감는 벨트감기 풀리(187)와, 상기 타이밍벨트(158)를 감기 위한 동력을 제공하는 벨트감기 스프링(184)과, 상기 벨트감기 풀리(187)와 벨트감기 스프링(184) 사이를 연결하는 벨트감기 기어(185)(186)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 액면계측 컨트롤러(200)는
    상기 정밀엔코더(112)로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부(204)와,
    상기 광역엔코더(113)로부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부(206)와,
    상기 정밀엔코더 인터페이스부(204) 및 광역엔코더 인터페이스부(206)를 통하여 정밀엔코더 측정 신호 및 광역엔코더 측정 신호를 입력받아 분석하여 절대수위 값을 계산하는 마이크로 프로세서(201)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(201)는
    수면의 출렁임을 보정하여 정확한 액면레벨 값을 산출하기 위하여 Blackman window를 적용한 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)를 적용하여 측정값에서 차단주파수를 필터링하되, 상기 윈도우드 싱크 필터(windowed-sinc filter)는 다음의 수학식을 통한 전달함수(h[i])를 통하여 차단주파수(fc)가 설정되는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측장치.
    [수학식]
    Figure 112016111918800-pat00037

    (여기에서, fc는 차단주파수, M은 필터커널 길이, i는 샘플링 변수 0=i=M, K는 유니티게인 상수를 나타낸다)
  12. 액면 위에 부상하여 액면의 변화에 따라 상하로 이동하는 플로트(157)의 이동량이 타이밍벨트(158) 및 타이밍벨트 풀리(151)를 통하여 회전량으로 변환되는 단계(a)와; 상기 타이밍벨트 풀리(151)의 회전량을 전달받는 회전축(104)에 결합된 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)에서 상기 회전축(104)의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 액면계측 컨트롤러(200)에 입력하는 단계(b)와; 상기 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)에 설치된 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)에서 상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 액면계측 컨트롤러(200)에 입력하는 단계(c)와; 상기 액면계측 컨트롤러(200)에서 측정된 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 플로트의 절대위치값을 계산하고, 상기 계산된 플로트의 절대위치에 따른 액면레벨 값을 계측하는 단계(d);를 포함하는 액면레벨 계측방법으로,
    상기 액면계측 컨트롤러(200)는 상기 정밀엔코더(112)의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 검사하여, 상기 광역엔코더(113)의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더(112)의 회전수로 설정하되, 상기 광역엔코더(113) 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우 설정된 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 것을 특징으로 하는 액면레벨 계측방법.
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