KR100904225B1 - 수위 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수위 검출용 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 조정의 불편함과 불안정성을 개선하여 정확하고 안정된 수위 검출이 가능하도록 하는 수위 측정 장치에 관한 것이다. 이를 위해, 기준 전압을 출력하는 기준 전압 발생부; 상기 기준 전압 발생부로부터 출력되는 기준 전압을 기준으로 수위 검출용 압력 센서로부터 출력되는 양(+) 전압과 음(-) 전압의 차전압(Vdiff)을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 신호 처리부; 및 상기 기준 전압 발생부로부터 출력되는 기준 전압을 기준으로 상기 신호 처리부로부터 출력되는 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터부를 포함하고, 상기 기준 전압을 상기 신호 처리부와, AD 컨버터부에 동시에 인가하여 상기 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 전압과 상관없이 상기 신호 처리부로부터 출력되는 전압 신호를 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 수위를 검출용 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 조정의 불편함과, 불안정성을 개선함으로써, 정확하고 안정적인 측정 정보를 제공할 수 있는 장점이 있다.

수위 측정, 압력 센서

Description

수위 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING WATER LEVEL}

도 1 은 종래 기술에 따른 수위 검출용 압력 센서를 나타낸 전기 회로도.

도 2 는 종래 기술에 따른 수위 검출용 압력 센서로부터 출력되는 영점 오프셋 조정과 증폭 신호의 압력/전압 신호를 나타낸 파형도.

도 3 은 종래 기술에 따른 가변 저항을 이용한 수위 검출용 압력 센서의 영점 오프셋 조정을 나타낸 전기 회로도.

도 4 는 종래 기술에 따른 차동 증폭 회로를 이용한 수위 검출용 압력 센서를 나타낸 전기 회로도.

도 5 는 본 발명에 따른 수위 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도.

도 6 은 도 5의 신호 처리부의 차동 증폭부의 일실시예를 나타낸 전기 회로도.

도 7 은 양의 영점 오프셋 전압이 도 5의 수위 측정 장치로부터 출력되는 압력/전압 신호를 나타낸 파형도.

도 8 은 음의 영점 오프셋 전압이 도 5의 수위 측정 장치로부터 출력되는 압력/전압 신호를 나타낸 파형도.

도 9 는 도 6의 차동 증폭부의 다른 실시예를 나타낸 전기 회로도.

도 10 은 도 6의 차동 증폭부의 또 다른 실시예를 나타낸 전기 회로도.

도 11 은 도 6의 차동 증폭부의 또 다른 실시예를 나타내 전기 회로도.

(도면의 주요부호에 대한 설명)

100: 압력 센서 200: 신호 처리부

210, 210a, 210b, 210c: 차동 증폭부

211, 213a, 213b, 214, 215a, 215b: 오피 앰프

212a, 212b : 초단 증폭부

220: 전압 분배부 300: AD 컨버터부

400: 기준전압 발생부 500: 제어부

본 발명은 지하수의 수위 측정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수위 검출용 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 조정의 불편함과 불안정성을 개선하여 정확하고 안정된 수위 검출이 가능하도록 하는 수위 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 지하수의 수위 측정에서 가장 중요한 측정 항목은 지하수의 수위이다. 이는 측정 결과의 활용이나 분석면에서 다양한 정보를 제공하기 때문이다. 이러한 지하수의 수위를 측정하는 센서로는 전기 용량식, 기포식, 압력식 등으로 다양한 측정센서가 사용되고 있고, 국내에서 사용되고 있는 수위 센서는 설치와 사 용이 간편한 압력식 센서가 대부분이다.

전기 용량식 수위 센서는 수심에 따라 두 개의 도선 상단부는 공기 중에 있고, 하부는 수중에 배치되어 있고, 물의 전기 유도도가 공기의 유도도보다 훨씬 크기 때문에 전기 용량과 물에 잠긴 도선의 수중 길이 사이의 특성을 교정한 후 전기용량을 측정하여 수심으로 환산한다.

그러나 물의 성분과 온도는 수시로 변하기 때문에 전기저항을 정밀하게 측정하더라도 오차가 발생하고, 전기저항의 변화가 매우 작기 때문에 직류성분의 전기신호를 증폭, 가공하는 과정에서 노이즈가 포함되기 쉽고, 전자회로도 복잡하기 때문에 실제 노천에서 사용하기는 매우 어려운 문제점이 있다.

기포식 수위 센서는 수압 측정관을 기울이거나 임의로 휘어지게 설치해도 수압 측정에는 영향을 받지 않지만, 측정관 튜브 내의 공기를 불어내야 하므로 소형 공압기 또는 질소와 같은 압축공기 탱크가 필요하며, 20m 이하의 수위 측정에만 사용하는 문제점이 있다.

압력식 센서는 확산형과 박막형이 있으며, 이들 모두 인가되는 압력에 따라 저항이 변화하는 반도체의 피에조(Piezo) 저항 효과를 이용하고 있고, 다른 수위 센서보다 설치가 용이하고, 측정 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 압력 센서(10)를 나타낸 도면으로써, 압력 센서(10)의 브리지 검출 회로를 이루고 있는 다수의 저항(20a, 20b, 20c, 20d)들은 대기압 변화와 온도 변화의 보정을 위하여 상호 보상의 위치에 적절히 배치되어 대기압 변화와 수온의 변화에 상관없는 안정적인 수위 측정을 수행한다.

그러나 이러한 브리지 검출 회로로 이루어진 압력 센서(10)는 제조상 출력 값, 즉 Vdiff(+Vout - -Vout) 전압이 대기압에서 정확하게 평형(Zero)을 이루지 못하는 문제점이 있다. 또한, 압력 센서가 평형하다 하더라도 증폭 회로 내부의 오프셋이 존재하게 된다.

즉 압력 센서(10)는 정(+) 또는 부(-)의 방향으로 일정한 허용 오차 범위 내에서 영점 오프셋 전압(Zero Offset Voltage) 값을 포함하여 출력된다. 도 2에서 압력 센서(10)의 출력(a)은 예를 들면, 음(-)의 영점 오프셋 전압을 가진다.

이러한 영점 오프셋 전압 값을 보정하기 위해서는 압력 센서(10)의 출력단에 가변 저항을 이용하여 영점 조정을 수행하면, 압력 센서(10)의 출력이 (b)와 같이 조정할 수 있다.

이러한 압력 센서(10)의 영점 오프셋 전압 보정 방법으로는 도 3에 나타낸 바와 같이, 압력 센서(10)의 출력단에 가변 저항(30)을 설치하거나, 도 4에 나타낸 오피 앰프(OP AMP: 40)의 오프셋 조종단을 이용하여 조종하는 것이 가능하다.

그러나, 이러한 구성은 측정 회로의 비선형성을 초래하고, 오피 앰프(40)의 입력 불균형으로 온도 드리프트가 발생하여 출력 전압의 불안정성을 발생시키는 문제점이 있다.

또한, 압력 센서를 제조하는 제조사에서 오프셋 전압의 보정을 위한 가변 저항을 제공하여 오프셋 전압의 영점을 조정할 수 있도록 하였지만, 온도, 습도 등에 의한 변화와, 진동 등에 의한 조정 값의 변화로 측정시에 오프셋 보정을 수행하지 않을 경우 정확한 수위의 측정값을 제공하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 압력 센서의 빈번한 검사 및 교정에 많은 시간과 노력이 필요하여 관리 비용이 증가하게 되고, 효율이 감소하는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 수위 검출용 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 조정의 불편함과 불안정성을 개선하여 정확하고 안정된 수위 검출이 가능하도록 하는 수위 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 수위 검출용 압력 센서의 제거, 검사 및 교정에 상관없이 장기간 안정된 수위 측정값을 제공할 수 있는 수위 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수위 측정 장치는 기준 전압을 출력하는 기준 전압 발생부; 상기 기준 전압 발생부로부터 출력되는 기준 전압을 기준으로 수위 검출용 압력 센서로부터 출력되는 양(+) 전압과 음(-) 전압의 차전압(Vdiff)을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 신호 처리부; 및 상기 기준 전압 발생부로부터 출력되는 기준 전압을 기준으로 상기 신호 처리부로부터 출력되는 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터부를 포함하고, 상기 기준 전압을 상기 신호 처리부와, AD 컨버터부에 동시에 인가하여 상기 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 전압과 상관없이 상기 신호 처리부로부터 출력되는 전압 신 호를 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 AD 컨버터부로부터 출력되는 디지털 전압 신호 중에서 사용자가 설정하는 임의의 출력 전압을 영점과 스판점으로 각각 저장하고, 상기 저장된 영점과 스판점 사이의 임의의 수위에서 출력되는 상기 압력 센서의 출력 전압을 산출하여 출력하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호 처리부는 상기 압력 센서의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 차동 증폭부; 및 상기 차동 증폭부로부터 출력되는 전압 신호를 분압하여 상기 AD 컨버터부에 출력되도록 하는 전압 분배부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호 처리부는 상기 압력 센서와 상기 차동 증폭부 사이의 임피던스 차이가 보정되도록 하는 초단 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차동 증폭부는 상기 압력 센서의 (+) 출력 단자가 (-) 입력 단자에 연결되고, 압력 센서의 (-) 출력 단자와 상기 기준 전압 발생부의 출력단이 (+) 입력 단자에 연결되어 상기 압력 센서의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 오피 앰프; 및 상기 오피 앰프의 (+),(-) 입력 단자에 연결되어 상기 오피 앰프의 증폭비를 결정하는 다수의 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전압 분배부는 반잔 차동 증폭의 출력이 AD 컨버터부의 전압 측정 상한인 기준 전압(Vref) 미만이 되도록 스케일링 하기 위해 상기 차동 증폭부로부터 출력되는 전압 신호가 분압되도록 미리 설정된 저항비를 갖는 다수의 저항으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 수위 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 6은 도 5의 수위 측정 장치를 나타낸 전기 회로도이다.

도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 수위 측정 장치는 압력 센서(100)로부터 출력되는 양(+) 전압과 음(-) 전압의 차전압(Vdiff)을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 신호 처리부(200)와, 신호 처리부(200)로부터 출력되는 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터부(300)와, 신호 처리부(200) 및 AD 컨버터부(300)에 동일한 기준 전압(Vref)을 출력하는 기준 전압 발생부(400)와, AD 컨버터부(300)로부터 출력되는 디지털 전압 신호 중에서 임의의 출력 전압을 영점과 스판점으로 각각 저장하고, 상기 저장된 영점과 스판점 사이의 임의의 수위에서 출력되는 압력 센서(100)의 출력 전압을 산출하여 출력하는 제어부(500)를 포함한다.

압력 센서(100)는 브리지 검출 회로를 이루고 있는 다수의 저항들이 대기압 변화와 온도 변화의 보정을 위하여 상호 보상의 위치에 적절히 배치되어 대기압 변화와 수온의 변화에 상관없는 안정적인 수위 측정을 수행한다.

또한, 압력 센서(100)는 일정한 허용 오차 범위 내에서 영점 오프셋 전압(Zero Offset Voltage) 값을 포함하여 (+)Vout 전압과, (-)Vout 전압을 출력하고, 압력 센서(100)는 종래의 도 1, 도 3에 도시된 공지의 압력 센서를 사용해도 무방하다.

신호 처리부(200)는 기준 전압 발생부(400)로부터 출력되는 기준 전압(Vref)을 입력받고, 상기 입력된 기준 전압(Vref)을 기준으로 수위 검출용 압력 센서(100)로부터 출력되는 양 전압(+Vout)과 음 전압(-Vout)의 차전압(Vdiff)을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력한다.

여기서 신호 처리부(200)는 압력 센서(100)의 출력 차전압(Vdiff)을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 차동 증폭부(210)와, 차동 증폭부(210)로부터 출력되는 전압 신호를 분압하여 AD 컨버터부(300)에 출력되도록 하는 전압 분배부(220)를 포함한다.

차동 증폭부(210)는 (-) 입력 단자에 저항(R3)을 통해 압력 센서(100)로부터 출력되는 양 전압(+Vout)과, 저항(R4)을 통해 차동 증폭부(210)로부터 출력되는 출력전압(Va)이 입력되도록 연결되고, (+) 입력 단자에 저항(R1)을 통해 압력 센서(100)로부터 출력되는 음 출력 전압(-Vout)과, 저항(R2)을 통해 기준 전압 발생부(400)로부터 출력되는 기준전압(Vref)이 입력되도록 연결되어 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호(Va)로 출력하는 오피 앰프(211)와, 오피 앰프(211)의 (+) 입력 단자에 연결되어 오피 앰프(211)의 증폭비를 결정하는 다수의 저항(R1, 내지 R4)이 설치된다.

즉 저항 R1은 일측이 압력 센서(100)의 (-) 출력 단자와 연결되고, 타측이 오피 앰프(211)의 (+) 입력 단자에 연결되어 압력 센서(100)로부터 출력되는 음 전압(-Vout)이 오피 앰프(211)에 입력되도록 하며, 저항 R2는 일측이 기준 전압 발생부(400)에 연결되고, 타측이 오피 앰프(211)의 (+) 입력 단자에 연결된다.

따라서 증폭비는 R1:R2=R3:R4이고, R1=R3, R2=R4인 경우 차동 증폭비는 R2/R1이 되며, 저항비(R1:R2)는 사용하고자 하는 압력 센서의 최대 측정범위에서 출력되는 전압인 스판 전압(Span Voltage)을 고려하여 증폭된 출력 전압이 AD 컨버터부(300)의 입력 하한 전압 범위 이내가 되도록 결정한다.

또한, 본 발명에 따른 차동 증폭부(210)는 저항 R3을 통해 입력되는 압력 센서(100)의 양 전압(+Vout)과, 오피 앰프(211)의 출력 전압(Va)이 저항 R4를 통해 오피 앰프(211)의 (-) 입력 단자에 접속되어 증폭회로가 구성되어 있다.

이때 출력되는 전압의 범위는 편전원을 사용하는 경우 오피 앰프의 선형 증폭 구간과 AD 컨버터부의 측정범위(하한값)를 넘지 않아야 한다.

전압 분배부(220)는 반잔 차동 증폭의 출력이 AD 컨버터부(300)의 전압 측정 상한인 기준 전압(Vref) 미만이 되도록 스케일링 하기 위해 차동 증폭부(210)로부터 출력되는 전압 신호(Va)가 미리 설정된 저항비를 갖는 저항 Ra 및 저항 Rb에 의해 분압되도록 하고, 상기 분압된 전압 신호(Vb)가 AD 컨버터부(300)로 입력되도록 한다.

AD 컨버터부(300)는 신호 처리부(200)로부터 출력되는 아날로그 전압 신호(Vb)를 입력받아 기준 전압 발생부(400)로부터 출력되는 기준 전압(Vref)을 기준으로 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

기준 전압 발생부(400)는 온도 변화와, 장기 드리프트의 가장 큰 요소인 기준 전압(Vref)을 신호 처리부(200)와, AD 컨버터부(300)에 동일하게 제공함으로써, 압력 센서(100)가 갖는 영점 오프셋 전압과 상관없이 신호 처리부(200)로부터 출력 되는 전압 신호(Vb)를 AD 컨버터부(300)에서 디지털 신호로 변환하여 제공할 수 있도록 하여 수위 측정에서 안정적인 측정을 가능하게 한다.

또한, 기준 전압을 예를 들면, 2.5V 정도로 높게 하여 신호 처리부(200)와, AD 컨버터부(300)에 공통적으로 제공함으로써, 오피 앰프의 비선형 구간을 회피하여 단일 전원 회로의 구성이 가능하게 된다.

도 7은 양의 영점 오프셋 전압이 도 5의 수위 측정 장치로부터 출력되는 압력/전압 신호를 나타낸 파형도이고, 도 8은 음의 영점 오프셋 전압이 도 5의 수위 측정 장치로부터 출력되는 압력/전압 신호를 나타낸 파형도이다.

도 7 및 도 8에서, 양(+)의 오프셋 전압을 갖는 차전압(Vdiff)이 검출된 경우 오피 앰프(211)의 출력 전압(Va)은 반전 증폭되어도 기준 전압(Vref)보다 낮은 전압이 출력되어 저항 Ra 및 저항 Rb에 의해 전압 분배된 전압(Vb)은 기준 전압(Vref)보다 낮은 전압이 출력된다.

또한, 음(-)의 오프셋 전압을 갖는 차전압(Vdiff)이 검출된 경우 오피 앰프(211)의 출력 전압(Va)은 반전 증폭되어 기준 전압(Vref)을 초과한 전압이 출력된다. 그러나 저항 Ra 및 저항 Rb에 의해 Va 전압이 분배되어 Vb 전압은 기준 전압(Vref)보다 낮은 전압으로 출력된다.

따라서 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 전압의 조정 없이 선형적인 출력 전압을 제공할 수 있게 된다.

한편, 제어부(500)는 AD 컨버터부(300)로부터 출력되는 전압 신호 중에서 임의의 출력 전압을 영점과 스판점으로 각각 저장하고, 상기 저장된 영점과 스판점 사이의 임의의 수위에서 출력되는 상기 압력 센서의 출력 전압을 산출하여 출력하는 구성이다.

제어부(500)를 보다 상세하게 설명하면, AD 컨버터부(300)를 통해 디지털 처리된 출력 전압중에서 키패드 등의 입력부(미도시)를 통해 사용자가 입력하는 영점(사용자가 설정하는 측정시작 위치, 예를 들면 0m)과, 스판점(예를 들면, 사용자가 설정하는 최대 측정 위치, 예를 들면 50m)을 검출하여 상기 영점과 스판점을 메모리 등의 저장부(미도시)에 저장하고, 이후 압력 센서를 통해 상기 영점과 스판점 사이의 임의의 수위에서 출력되는 전압을 검출하여 상기 임의의 수위를 계산하여 출력한다.

여기서 영점과, 스판점은 수위 검출을 위해 센서가 설치되는 환경이나, 사용자의 편의에 따라 임의의 설정이 가능하다.

상기 임의의 수위에서 위치를 산출하는 방법은 상기 영점과 스판점 사이에 선형성을 가지고 있으므로 영점과 스판점을 이용하여 임의의 위치에서 측정된 압력 센서의 출력 전압으로부터 수위를 산출하는 것이 가능하다.

한편, 메모리 등의 저장부에 저장된 상기 영점과 스판점 등의 측정 데이터들은 센서의 전원을 제거하거나 센서를 교환하는 등의 작업 수행시 설정된 측정 데이터의 손실을 방지하여 수위 측정 장치의 교환 및 유지 보수에 사용할 수 있도록 한다.

따라서 제어부(500)에서 출력된 임의의 수위에 대한 전압은 예를 들면, RS-485 등의 통신부(미도시)를 통해 원격지로 전송되고, 원격지로 전송된 상기 임의의 수위에 대한 전압은 디스플레이부를 통해 출력된다.

상술한 실시예에서는 압력 센서(100)의 임피던스와 신호 처리부(200)의 차동 증폭부(210) 사이에 임피던스 차이의 보정이 없는 경우를 설명하였다.

다음은 압력 센서(100)와 차동 증폭부(210) 사이의 임피던스 차이를 보정하기 위한 초단 증폭부가 포함된 차동 증폭부의 다른 실시예를 설명한다.

도 9는 도 6의 차동 증폭부의 다른 실시예를 나타낸 전기 회로도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 차동 증폭부(210a)의 입력단에 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 갖는 초단 증폭부(212a)가 설치되어 압력 센서(100, 도 5 참조)의 출력 임피던스와 차동 증폭부(210a) 입력단의 임피던스에 의한 압력 센서(100)의 왜곡을 방지하게 된다.

즉 신호 전압의 전달에 있어서, 신호의 출력단의 출력 임피던스가 매우 작지 않거나 입력단의 입력 임피던스가 매우 크지 않은 경우에는 초단 증폭부(212a)를 설치하여 임피던스의 부정합을 해소하기 위한 것이다.

도 9의 초단 증폭부(212a)는 두 개의 오피 앰프(213a 및 213b)로 이루어지고, 압력 센서(100)로부터 출력되어 차동 증폭부(210a)로 입력되는 (-)Vin 전압은 오피 앰프(213a)의 (+) 입력 단자에 입력되고, (-) 입력 단자에는 출력 단자로부터 피드백되는 전압이 입력되며, 출력 단자는 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호(Va)로 출력하는 오피 앰프(214)의 (-) 입력 단자에 연결된다.

또한, 압력 센서(100)로부터 출력되어 차동 증폭부(210a)로 입력되는 (+)Vin 전압은 오피 앰프(213b)의 (+) 입력 단자에 연결되고, (-) 입력 단자는 출력 단자로부터 피드백되는 전압이 입력되며, 출력 단자는 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호(Va)로 출력하는 오피 앰프(214)의 (+) 입력 단자에 연결된다.

따라서 오피 앰프(214)는 두 개의 오피 앰프(213a 및 213b)에서 출력된 압력 센서(100)의 출력 전압차를 기준 전압(Vref)에 따라 차동 반전 증폭한 전압 신호(Va)를 출력한다.

도 10은 도 6의 차동 증폭부의 또 다른 실시예를 나타낸 전기 회로도이다.

도 10에 도시한 차동 증폭부(212b)는 도 9의 실시예에서 설명한 임피던스 부정합을 해소하기 위한 초단 증폭부(212a, 도 9참조)에 증폭비의 향상을 위해 저항(R1, R2)을 추가한 실시예이다. 즉 도 10의 차동 증폭부(212b)는 도 9의 차동 증폭부(212a)에 1 이상의 이득을 가진다.

도 10의 초단 증폭부(212b)는 2개의 오피 앰프(213a 및 213b)로 이루어지고, 압력 센서(100)로부터 출력되어 차동 증폭부(210b)로 입력되는 (-)Vin 전압은 오피 앰프(213a)의 (+) 입력 단자에 연결되고, (-) 입력 단자는 출력 단자로부터 피드백되는 전압이 저항(R1)을 통해 입력되며, 출력 단자는 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호(Va)로 출력하는 오피 앰프(214)의 (-) 입력 단자에 연결된다.

또한, 압력 센서(100)로부터 출력되어 차동 증폭부(210b)로 입력되는 (+)Vin 전압은 오피 앰프(213b)의 (+) 입력 단자에 연결되고, (-) 입력 단자는 출력 단자로부터 피드백되는 전압이 저항(R2)을 통해 입력되며, 출력 단자는 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호(Va)로 출력하는 오피 앰프(214)의 (+) 입력 단자에 연결된다.

따라서 오피 앰프(213a 및 213b)의 (-) 입력 단자와 출력 단자에 연결된 저항(R1, 및 R2)을 통해 차동 증폭부(210b)의 증폭비를 증가시키는 것이 가능하고, 오피 앰프(214)는 두 개의 오피 앰프(213a 및 213b)에서 출력된 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭한 전압 신호(Va)가 출력되도록 한다.

도 11은 도 6의 차동 증폭부의 또 다른 실시예를 나타내 전기 회로도이다.

도 11에 도시한 차동 증폭부(210c)는 두 개의 오피 앰프(215a 및 215b)를 이용하여 임피던스 매칭과 증폭도의 가변이 가능하도록 구성되었다.

즉 압력 센서(100, 도 5 참조)로부터 출력되어 차동 증폭부(210c)로 입력되는 (+) Vin 전압은 제 1 오피 앰프(215a)의 (+) 입력 단자에 연결되고, 제 1 오피 앰프(215a)의 (-) 입력 단자에는 제 1 오피 앰프(215a)의 출력 단자에서 피드백 되는 출력 전압과, 제 2 오피 앰프(215b)의 출력 단자에서 제 2 오피 앰프(215b)의 (-) 입력 단자로 피드백되는 출력 전압이 입력되도록 한다.

또한, 제 1 오피 앰프(215a)의 (-) 입력 단자와, 제 2 오피 앰프(215b)의 출력 단자에서 (-) 입력 단자 사이에 가변 저항(RG)을 설치하여 증폭도가 가변될 수 있도록 한다.

차동 증폭부(210c)로 입력되는 (-) Vin 전압은 제 2 오피 앰프(215b)의 (+) 입력 단자에 연결되고, 제 2 오피 앰프(215b)의 (-) 입력 단자로 입력되는 제 1 오피 앰프(215a)의 출력과, 제 2 오피 앰프(215b)의 출력 단자를 통해 피드백되는 출력 신호를 이용하여 압력 센서(100)의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호(Va)로 출력한다.

따라서 두 개의 오피 앰프(215a 및 215b)를 이용하여 임피던스 부정합의 해소와 함께 증폭도를 함께 수정할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 수위 측정 장치는 수위를 검출용 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 조정의 불편함과, 불안정성을 개선함으로써, 정확하고 안정적인 측정 정보를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 기준 전압을 동일하게 입력받음으로써, 온도 변화와 장기 드리프트로 인한 불안정성을 개선하여 안정적인 수위 측정을 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 증폭 과정에서 오피 앰프의 비선형 구간을 회피함으로써 단일 전원회로로의 구성이 가능한 장점이 있다.

또한, 전력 소모의 감소와 회로를 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였 다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 기준 전압을 출력하는 기준 전압 발생부;

   상기 기준 전압 발생부로부터 출력되는 기준 전압을 기준으로 수위 검출용 압력 센서로부터 출력되는 양(+) 전압과 음(-) 전압의 차전압(Vdiff)을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 차동 증폭회로와 상기 차동 증폭회로로부터 출력되는 전압 신호를 분압하는 전압 분배회로를 구비한 신호 처리부;

   상기 기준 전압 발생부로부터 출력되는 기준 전압을 기준으로 상기 신호 처리부로의 상기 전압 분배회로로부터 제공된 분배 전압 회로를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 AD 컨버터부; 및

   상기 AD 컨버터부로부터 출력되는 디지털 전압 신호 중에서 사용자가 설정하는 임의의 출력 전압을 영점과 스판점으로 각각 저장하고, 상기 저장된 영점과 스판점 사이의 임의의 수위에서 출력되는 상기 압력 센서의 출력 전압을 산출하여 출력하는 제어부를 포함하고,

   상기 기준 전압을 상기 신호 처리부와 상기 AD 컨버터부에 동시에 인가하여 상기 압력 센서가 갖는 영점 오프셋 전압과 상관없이 상기 신호 처리부로부터 출력되는 전압 신호를 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 수위 측정 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 신호 처리부는 상기 압력 센서와 상기 차동 증폭회로 사이의 임피던스 차이가 보정되도록 하는 초단 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 측정 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 차동 증폭회로는 상기 압력 센서의 (+) 출력 단자가 (-) 입력 단자에 연결되고, 압력 센서의 (-) 출력 단자와 상기 기준 전압 발생부의 출력단이 (+) 입력 단자에 연결되어 상기 압력 센서의 출력 차전압을 차동 반전 증폭하여 전압 신호로 출력하는 오피 앰프; 및

   상기 오피 앰프의 (+), (-)입력 단자에 연결되어 상기 오피 앰프의 증폭비를 결정하는 다수의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 측정 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 전압 분배회로는 상기 차동 증폭회로로부터 출력되는 전압 신호가 분압되도록 미리 설정된 저항비를 갖는 다수의 저항으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수위 측정 장치.

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