KR101619491B1

KR101619491B1 - 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기

Info

Publication number: KR101619491B1
Application number: KR1020140074926A
Authority: KR
Inventors: 라채식
Original assignee: (주)나우시스템즈
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2016-05-10
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: KR20150145462A

Abstract

본 발명은 금속검출기에 관한 것으로, 특히 식품내에 잔존하는 금속을 검출하는 장치로서, 송신기에서 발진되는 주파수를 디지털 컨트롤에 의해 가변되는 주파수가 발진되는 금속검출기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기는, 발진 주파수를 증폭하고 송신안테나를 통해 신호를 검사대상 식품에 주사하는 송신부와, 검사대상 식품을 투과하여 수신안테나에 수신된 신호를 증폭시켜 디지탈 신호로 출력하는 수신부를 구비하는 식품내 잔존하는 금속검출기에 있어서, 상기 발진 주파수는 인덕턴스와 둘 이상의 캐패시턴스가 병렬로 연결된 가변 정현파 발진기에 의해 발진되고, 상기 캐패시턴스 각각의 입력은 디지털 컨트롤러에 의해 온-오프 스위칭되며, 상기 디지털 컨트롤러의 온-오프 제어에 의해 상기 가변 정현파 발진기는 서로 다른 주파수를 발진시키는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

Description

디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기{METAL DETECTING APPARATUS GENERATING VARIABLE FREQUENCY ACCORDING TO DIGITAL SWITCHING}

본 발명은 금속검출기에 관한 것으로, 특히 식품내에 잔존하는 금속을 검출하는 장치로서, 송신기에서 발진되는 주파수를 디지털 컨트롤에 의해 가변되는 주파수가 발진되는 금속검출기에 관한 것이다.

검사대상 식품의 종류에 따라 사용되는 최적 주파수가 다르므로 종래의 식품검사에 사용되는 금속검출장치는 검사대상 식품이 바뀌는 경우 금속검출에 사용되는 주파수를 인접주파수가 아닌 주파수 차가 큰 주파수 대역들을 사용하려면 각기 다른 송신안테나를 사용하여야하는 단점이 있다.

종류가 다른 검사대상 식품에서 금속물체의 존재 여부를 검출하기 위한 방법은 크게 세 가지 방식으로 분류할 수 있다.

첫 번째 방식으로는 1개의 송신안테나를 사용하여 주파수를 가변시키는 방식이다. 이러한 방식은 예를 들어 사용하는 주파수가 10배로 커지면 송신 안테나의 임피던스가 약 10배로 증가되고 그에 따라 실제 송신출력은 약 1/10로 감소되기 때문에 가변 주파수 폭을 크게 할 수 없는 단점이 있었다.

두 번째 방식으로는 금속검출에 사용되는 주파수 대역에 따라 별도의 송신안테나를 설치하는 방식이다. 이 방식은 구조가 복잡해지고 비용이 상승하는 단점이 있었다.

세 번째 방식으로는 복수의 고정 송신 주파수 신호를 수학적으로 합산하여 1개의 송신안테나를 사용하여 송출하는 방식이다. 이 경우도 역시 송신안테나는 어느 특정 주파수에만 최적의 임피던스 특성을 나타내므로 첫 번째 방식과 유사한 문제가 야기되는 단점이 있었다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허공보 10-1019100에는 '식품내 금속 물체 검출장치 및 검출방법'이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1019100은 본 출원인이 출원하여 등록받은 기술로서, 금속검출기는 송신부에서 상대적으로 높은 정현파 주파수를 발진하는 f1 주파수 발진기와, 상대적으로 낮은 정현파 주파수를 발진하는 f2 주파수 발진기와, 신호를 변조하는 변조기와, 변조된 신호를 증폭시키는 전력증폭기를 포함하고, 수신부에서 검사대상 식품을 투과하여 수신코일에 수신된 변조신호를 증폭시키는 신호증폭기와, 그 증폭된 신호를 2개의 신호로 분리하는 신호분리기와, 송신된 2개의 원 주파수 성분을 분리시키기 위한 주파수 동기검파기를 포함하여, 1개의 송신 안테나를 사용하여 2개의 송신주파수 대역의 송신효율을 저하시키지 않으면서 동시에 송출할 수 있도록 하여 사용되는 최적 주파수 대역이 다른 복수 종류의 검사대상 식품내 금속물체를 검출하는 장치를 제공하고 있다.

하지만, 대한민국 등록특허공보 10-1019100에 개시된 금속검출기는 2개의 다른 주파수만을 선택적으로 사용하는 정도에 그쳐 다양한 식품에 대한 다양한 주파수 발진을 능동적으로 행하기에는 역부족인 것이 사실이다.

또한, 제조단계에서는 송신 안테나와 병렬로 콘센서를 연결하고 전류를 측정하여 전류가 가장 적게 소모되는 콘덴서 값을 찾게 되며, 일반적으로 콘덴서는 1개 이상을 병렬로 조합하여 공진 조건이 되는 값을 찾게 된다. 하지만, 콘덴서는 E6 또는 E12 계열의 수치로 양산이 되어져 정확한 공진을 유도하기 위해서는 다수개의 콘덴서를 조합해야 하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1019100

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 해결 과제는, 하나의 금속검출기 내에서 가변 주파수를 발진할 수 있는 디지털 가변 발진기를 제공하여 다양한 식품에 부합하는 주파수를 선택하여 발진하도록 하기 위한 금속검출기를 제공하고자 한다.

또한, 가변 주파수 발진의 디지털 스위칭에 따라 2n 개의 주파수를 생성하여 발진하여 다양한 식품에 따른 주파수 선택의 폭을 자유자재로 수행할 수 있는 디지털 가변 주파수 발진장치를 제공하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기는, 발진 주파수를 증폭하고 송신안테나를 통해 신호를 검사대상 식품에 주사하는 송신부와, 검사대상 식품을 투과하여 수신안테나에 수신된 신호를 증폭시켜 디지탈 신호로 출력하는 수신부를 구비하는 식품내 잔존하는 금속검출기에 있어서, 상기 발진 주파수는 인덕턴스와 둘 이상의 캐패시턴스가 병렬로 연결된 가변 정현파 발진기에 의해 발진되고, 상기 캐패시턴스 각각의 입력은 디지털 컨트롤러에 의해 온-오프 스위칭되며, 상기 디지털 컨트롤러의 온-오프 제어에 의해 상기 가변 정현파 발진기는 서로 다른 주파수를 발진시키는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기서, 상기 인덕턴스와 둘 이상의 캐패시턴스 값은 발진 주파수가 50㎑ 내지 1MHz 범위에서 발진될 수 있도록 미리 설정되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 정현파 발진기의 캐패시턴스가 C1, C2, C3, …, Cn 이 병렬로 이루어질 때, 발진주파수는

이고, 여기서, f는 발진주파수, L은 인덕턴스, Cs는 병렬연결된 캐패시터 중 스위치가 온된 라인의 캐패시터의 합성 캐패시터이며, 2ⁿ(n는 2 이상의 정수)개의 정형파 주파수를 발진시키는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기서, 상기 가변 정현파 발진기에 의해 발진된 가변 정현파 주파수는 전력 증폭기에 의해 증폭되고, 증폭된 주파수는 소모전류 검출기를 통해 송신 안테나로 전송되며, 상기 소모전류 검출기는 상기 송신 안테나로 흐르는 전류를 측정하여 소모 전류가 가장 작아질 때의 정현파 주파수를 선택하도록 하여 최적의 공진 조건을 만들 수 있도록 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 하나의 금속검출기 내에서 가변 주파수를 발진할 수 있는 디지털 가변 발진기를 제공하여 다양한 식품에 부합하는 주파수를 선택하여 발진하도록 하고, 가변 주파수 발진의 디지털 스위칭에 따라 2n 개의 주파수를 생성하여 발진하여 다양한 식품에 따른 주파수 선택의 폭을 자유자재로 수행할 수 있는 디지털 가변 주파수 발진장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 금속검출기의 분리형 센서부의 코일 배치도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속검출기의 폐쇄형 센서부의 코일 배치도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속검출기의 신호처리 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속검출기의 디지털 주파수 발진기의 회로 구조도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기의 회로 구조 및 작용효과를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속검출기의 분리형 센서부의 코일 배치도이고, 도 2는 본 발명에 따른 금속검출기의 폐쇄형 센서부의 코일 배치도이다.

도 1에서는 검사대상 식품이 진행방향으로 이동하는 동안 이물질인 금속체 존재 여부를 검사하기 위한 금속검출장치의 신호송신부와 신호수신부로 분리되어 구성된 분리형 센서부(11)를 개략적으로 보여주고 있다.

장방형의 윤곽으로 된 송신코일(13)에는 정현파 주파수를 인가하는 송신기(12)가 연결되고, 루프형태의 수신 코일(14)에는 수신된 신호를 원래 송신된 송신주파수로 수신하는 수신기(15)가 연결되어 구성된다.

도 2에서는 도 1에 도시된 것과 다른 방식으로서 송수신 안테나 코일들이 일체로 폐쇄형을 이루는 센서부(21)를 개략적으로 보여주고 있다.

검사대상 식품이 금속체 존재 여부를 검사받기 위하여 진행방향으로 폐쇄형 센서부(21)의 신호송수신부로 진입하여 이동한다.

폐쇄형 금속검출장치 센서부(21)는 송신코일(23)에 연결되고 정현파 주파수를 인가하는 폐쇄형 금속검출기 송신기(22)와, 수신코일(24)에 연결되어 수신된 신호를 원래의 송신주파수로 수신하는 수신기(25)를 포함하여 구성된다.

도 3은 본 발명에 따른 금속검출기의 신호처리 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속검출기는 디지털 컨트롤러(31), 송신부(32) 및 수신부(33)를 포함하여 이루어진다.

디지털 컨트롤러(31)는 각각의 스위치의 온-오프를 통해 송신부(32)의 발진 회로 각각을 온-오프시켜 디지털적으로 발진회로를 제어하도록 한다.

송신부(32)는 가변 정현파 발진기(321)에서 만들어진 주파수를 전력증폭기(322)에서 적절한 신호전력으로 증폭시킨 다음 송신안테나(324)에 인가하여 주사한다.

여기서, 전력증폭기(322)와 송신안테나(324) 사이에는 소모전류 검출기(323)이 게재된다.

소모전류 검출기(323)는 송신안테나(324)로 흘러가는 전류를 측정할 수 있도록 전류를 전압으로 변환시키는 회로가 구성되며, 소모전류 검출기(323)에서 측정된 전압을 아날로그 디지털 신호변환기(325)로 디지털 변환한 후 컴퓨터(336)로 모니터링 한다.

소모전류 검출기(323) 및 컴퓨터(336) 모니터링에 의해 가변 정현파 발진기(321)의 주파수를 가변할 때, 전류가 가장 작아질 때의 주파수를 찾을 수 있으며, 이때가 병렬 공진점이 된다.

종래와 같이 주파수를 고정하고 콘덴서의 조합을 이용하여 공진점을 찾을 때보다 더 정확한 공진 조건을 만드는 것이 가능하다.

이는 공진이 정확히 될수록 안테나의 주파수 선택도가 좋아지므로 더 작은 신호의 변화에 대한 감지가 가능하여 금속검출기의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

선형주사 이물질 금속물체 검출장치 수신부(33)에서는, 검사대상 식품 중 일부를 투과하여 수신안테나(331)에 수신된 신호를 신호처리에 필요한 크기까지 신호증폭기(332)에서 증폭시킨 다음, 주파수 대역통과 필터(333)에서 잡음 성분을 제거한다.

송신된 원 신호 주파수 성분을 분리시키기 위하여 가변 정현파 발진기(321)에서 동기 신호를 받아 동기검파기(334)에서 수신안테나(331)에 수신된 신호 강도에 비례하는 출력신호를 얻는다.

즉, 수신 안테나(331)로부터의 출력 신호는 신호 동기검파기(334)에서 시간에 대한 신호출력이 아날로그 파형으로서 나타내며, 아날로그 파형은 송수신 안테나가 지지프레임에 의해 선형적으로 이동되면서 주사하기 때문에 처음에는 신호출력이 거의 없다가 금속물체 위를 지나갈 때는 최고치를 나타내고 지나간 후는 작아지는 형태의 검사대상 식품 내에 존재하는 금속물체의 크기에 비례하게 나타난다.

신호 동기검파기의 출력신호는 컴퓨터(336)에서 신호처리 할 수 있도록 아날로그 디지털 신호변환기(335)에서 디지털 파형으로 변환된 후 컴퓨터(336)에 입력된다.

컴퓨터(336)에서는 미리 프로그램된 바에 따라 처리하고 금속물체 존재여부를 판단한 출력신호를 출력부(338)로 출력하고 검사대상 식품 내의 금속물체의 위치와 형태를 2차원 디스플레이(337)에 나타내게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 금속검출기의 디지털 주파수 발진기의 회로 구조도이다.

도 4에 도시된 가변 정현파 발진기(32)는 인덕턴스(L)와 둘 이상의 캐패시턴스(C)가 병렬로 연결된 회로 구조를 갖는다.

둘 이상의 캐패시턴스(C)는 각각 스위칭될 수 있는 릴레이(Relay)에 연결되고, 릴레이(Relay) 각각은 신호를 송신 제어하는 디지털 컨트롤러(31)에 연결된다.

도 4에서는 4개의 캐패시턴스(C1 내지 C4)가 병렬 연결 구조를 갖는 것을 예시로 하고 있으나, 2개 이상의 캐패시턴스가 병렬 연결된 회로 구조라면 어느 형태든 문제가 되지 않는다.

각각의 캐패시턴스(C1 내지 C4)는 각각 디지털 컨트롤러(31)에 의해 온-오프되어 회로를 개방시키거나 폐쇄시킴으로써 출력 주파수(f_out)를 가변시키게 된다.

출력 주파수(f_out)는 캐패시턴스의 수에 따라 2ⁿ(n는 2 이상의 정수) 개로 출력될 수 있다.

즉, 캐패시턴스 2개가 병렬 연결된 경우는 2²개인 4개의 가변 주파수가 출력될 수 있으며, 캐패시턴스 3개가 병렬 연결된 경우는 2³개인 8개의 가변 주파수가 출력될 수 있고, 캐패시턴스 4개가 병렬 연결된 경우는 2⁴개인 16개의 가변 주파수가 출력될 수 있으며, 캐패시턴스 5개가 병렬 연결된 경우는 2⁵개인 32개의 가변 주파수가 출력될 수 있다.

디지털 컨트롤러(31)는 4개의 릴레이(Relay1 내지 Relay4) 모두를 온시키거나 오프시킬 수 있고, 어느 하나의 릴레이만을 온시키거나 두개의 릴레이를 온시키거나 세개의 릴레이를 온시킴으로써 2⁴개의 주파수 합성을 가능하게 할 수 있다.

즉, 릴레이(Relay1)만 온인 경우 발진주파수

이고, Relay1과 Relay2가 온인 경우 발진주파수는

이며, Relay1, Relay2, Relay3가 온인 경우 발진주파수는

이고, Relay1, Relay2, Relay3, Relay4 모두 온인 경우 발진주파수는

이 되어, 2⁴ 개의 가변주파수를 만들 수 있게 된다.

인덕턴스와 캐패시턴스 값은 사전에 미리 계산되어 식품내 금속 검출기로 사용되는 주파수가 발진될 수 있도록 정하여지며, 일반적으로 발진 주파수는 50KHz 내지 1MHz 범위 내에서 정해지며 발진 주파수가 그 범위 내에서 2n개가 될 수 있도록 인덕턴스와 2이상의 캐패시턴스 값이 정해진다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11 : 분리형 센서부 12, 22 : 송신기
13, 23 : 송신코일 14, 24 : 수신코일
15, 25 : 수신기 21 : 폐쇄형 센서부
31 : 디지털 컨트롤러 32 : 송신부
33 : 수신부 321 : 가변 정현파 발진기
322 : 전력 증폭기 323 : 소모 전류검출기
324 : 송신안테나 325, 335 : 아날로그 디지털 신호변환기
331 : 수신안테나 332 : 증폭기
333 : 주파수 대역통과 필터 334 : 동기검파기
336 : 컴퓨터 337 : 2차원 디스플레이
338 : 출력부

Claims

발진 주파수를 증폭하고 송신안테나를 통해 신호를 검사대상식품에 주사하는 송신부와, 검사대상식품을 투과하여 수신안테나에 수신된 신호를 디지탈 신호로 증폭하여 출력하는 수신부를 구비하는 식품내 잔존하는 금속검출기에 있어서,
상기 발진 주파수는 인덕턴스와 둘 이상의 캐패시턴스가 병렬로 연결된 가변 정현파 발진기에 의해 발진되고,
상기 캐패시턴스 각각의 입력은 디지털 컨트롤러에 의해 온-오프 스위칭되며,
상기 디지털 컨트롤러의 온-오프 제어에 의해 상기 가변 정현파 발진기는 서로 다른 주파수를 발진시키고,
상기 발진 주파수는 증폭되어 소모전류 검출기로 전달되며, 상기 소모전류 검출기로부터 측정된 전류값에 따라 정현파 주파수가 선택되는 것을 특징으로 하는 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기.
제1항에 있어서,
상기 인덕턴스와 둘 이상의 캐패시턴스 값은 발진 주파수가 50㎑ 내지 1MHz 범위에서 발진될 수 있도록 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기.
제1항에 있어서,
상기 가변 정현파 발진기의 캐패시턴스가 C1, C2, C3, …, Cn 이 병렬로 이루어질 때,
발진주파수는
이고,
여기서, f는 발진주파수, L은 인덕턴스, Cs는 병렬연결된 캐패시터 중 스위치가 온된 라인의 캐패시터의 합성 캐패시터이며,
2ⁿ(n는 2 이상의 정수)개의 가변 정형파 주파수를 발진시키는 것을 특징으로 하는 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기.
제1항에 있어서,
상기 가변 정현파 발진기에 의해 발진된 가변 정현파 주파수는 상기 소모전류 검출기를 통해 송신 안테나로 전송되며,
상기 소모전류 검출기는 소모 전류가 가장 작아질 때의 정현파 주파수를 선택하도록 보조하는 것을 특징으로 하는 디지털 스위칭에 따른 가변 주파수 발진 금속검출기.