KR100371772B1 - 가스 센싱 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스의 누출시 센서 저항의 저항치가 변하여 전압이 변하는 것을 인식하여 가스 누출을 센싱하는 장치에 있어서, 가스센서를 이루는 저항을 포함하는 브리지 평형회로의 기준점을 통한 인식전압과 변화 전압의 차이가 설정치 이상일 때를 인식하는 제어부와; 제어부가 가스 센서를 포함하는 브리지 평형부의 기준전압을 인식할 때 전압 인식폭을 좁게 세밀화 하도록 상한과 하한의 전압을 분배하는 직렬저항 구성의 전압 분배부를 포함하여 구성되고; 센서 저항을 통한 변화전압 및 기준전압의 차를 제어부에서 인식하고, 상기 전압 분배부를 통한 설정 전압폭으로 세분화 시켜 가스누출을 정확히 센싱토록 함을 특징으로 하는 가스 센싱 장치이다.

Description

가스 센싱 장치{Gas sensing device}

본 발명은 가스 센싱 장치에 관한 것으로, 가스의 누출시 변하는 저항치의 기준전압과 변화전압의 차이를 일반 센서와 가스 센서의 경우 인식 전압의 폭을 달리하여 인식하고, 가스 센서의 입력을 기준치와 변화치의 차이만을 인식하는 방식을 사용하여 초기 기준치를 위한 별도의 조정이 필요치 않도록 한 가스 센싱 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동식 소화기는 아파트 등에서 가스를 사용하여 난방 및 조리를 수행하는 시스템에서 필수적으로 요구되는 것으로, 이를 위하여는 가스센서를 통한 센싱이 필수적이다. 이러한 센싱 기술의 일 예로는 도 1 과 같이 브리지 회로를 구성하고 노드(A)(B)로는 출력을 인식하는 전류계(M)를, 노드(X)(Y)로는 전원을 공급하는 전원(E) 및 스위치(SW)를 설치한다. 이 경우 브리지 회로를 이루는 저항(R21, R22, R23, R24)에서 저항(R21, R22)은 고정 저항이고, 저항(R23, R24)은 연소에 따른 온도의 상승시 저항치가 변하는 센서의 기능을 수행하는 것을 예시할 수 있다. 그런데 도 1 의 경우는 저항(R23)은 감지 기능을, 저항(R24)은 보상 기능을 수행한다. 상기 저항(R23)의 일 예로는 큰 저항값의 변화를 얻기 위하여 예를 들어 0.03-0.05 미리미터의 백금선을 내경 0.25-0.4 미리미터의 코일로 감고, 그 표면을 알루미나 담체로 덮고 이 표면에 촉매를 분산시켜 O.8-1.0 미리미터 크기의 비드(Bead)로 만든 것을 사용함이 좋다. 이와 같은 상태에서 가스 설비의 가스가 누출하면 누출 가연성가스가 산소와 반응하여 반응열이 발생하고, 이 반응열은 도 1 에 보인센서 저항(R23)의 표면을 감싸는 알루미나 담체를 통하여 제공받아 저항치를 증가시킨다. 아울러 대부분의 가연성 가스는 탄화수소이고 이들 가스가 완전히 산화되어 물과 탄산가스로 될 때 발열량이 가장 크다. 가스의 완전 산화는 저온에서는 어렵기 때문에 반응 속도를 높이기 위하여 도 1 과 같이 촉매 처리(Pd Pt 처리)를 사용한다. 결국 접촉 연소식 센서는 촉매를 균일하게, 될수록 많이 담지 할 수 있는 다공질 세라믹스를 담체로 하고 이 담체 속에 금속열선(Pt 선)을 내장시킨 구성을 이룬다. 이러한 접촉 연소식 센서의 특성은 가스 농도에 비례하여 직선적으로 증가하며 불연성 가스인 잡 가스에 영향을 받지 않는 이점이 있지만 습도의 영향을 받고 또 너무 고농도인 가스는 검출할 수 없다. 또한 상기의 센서를 사용한 특성의 일 예로는 도 2 와 같이 전압이 낮아지면 저농도 영역으로, 전압이 높아지면 고농도에서 경보를 하게 되므로 사양에 따라 이를 선택 사용한다. 그런데 접촉 연소식센서는 기본적으로 촉매의 연소를 이용하기 때문에 장기간의 사용시 촉매의 열화로 인해 연소반응이 약해져 감도가 점차 저하되고 강도가 약하여 내진동성이 저하된다. 아울러 도 1 과 같은 방식은 (센서)저항(R23)을 통한 감지와 저항(R24)을 통한 보상의 결합으로 작동하므로 수분 등에 의한 온도 변화에 오동작이 쉽게 나는 문제점이 있다. 아울러 브리지 평형을 이루기 위하여 가변저항(VR1)(VR2)을 사용한 초기 평형의 조건을 맞추어야 하므로 초기 세팅이 쉽지 않게 되는 문제점이 있었다.

구체적으로 도 3 은 이러한 센서를 사용한 센싱회로의 일 예를 나타낸 것으로, 제너다이오드(D1)와, 오피앰프(OP1)와, 트랜지스터(Q1, Q2), 코일(L1) 및 콘덴서(C1, C2, C3) 로 이루어진 정전압 전원 공급부(10)와, 전원 공급부(10)의 전원을인가 받아 브리지 평형을 이루도록 저항(R7, R7', VR2, R8)으로 이루어진 브리지 평형부(20)와, 브리지 평형부(20)의 평형 출력의 변화를 인식하도록 상기 브리지 평형부(20)의 저항(R8) 에 병렬 연결된 센서인 저항(R23, R24)으로 이루어진 센서부(30)와, 센서부(30)를 이루는 저항(R23, R24)의 변동에 따른 브리지 평형부(20)의 평형 출력에 연동 하는 차동 증폭부(40)와, 차동 증폭부(40)의 출력이 있을 때 스위칭 온 되는 스위칭 출력부(50)로 이루어진다. 도면에서 (R)은 저항을, (C)는 콘덴서를, (Q3)는 스위칭 트랜지스터를, (OP2)는 차동 증폭부를 구성하는 오피앰프를 나타낸다.

상기 회로는 전원 공급부(10)에서 일정한 직류 전원을 공급하고, 직류전원을 기초로 브리지 평형부(20)에서는 센서부(30)를 이루는 저항(S23, S24)과 함께 브리지 평형부(20)가 평형 상태 및 변화를 인식토록 기능하고, 평형을 위하여 초기에는 가변 저항(VR2)을 사용하여 저항치를 세팅 조정한다. 이 상태에서 가스의 누출 등으로 센서를 이루는 저항(S23, S24)의 값이 변하면 브리지 평형이 깨어지고 이는 차동 증폭부(40)를 통하여 스위칭 출력부(50)의 출력이 스위칭 온 되고 이 스위칭 온 되는 출력은 가스의 누출을 차단시키는 밸브 등을 작동시키도록 도면에 도시하지 않은 모터 등을 구동시키는 전원을 인가토록 한다. 상기 저항(R24)을 통한 기준점(B)은 차동 증폭부(40)를 이루는 오피앰프(OP2)의 기준 전압(Vreference)을 제공하는 점이고, 저항(R23)을 통한 변화점(A) 은 오피앰프(OP2)의 변화되는 전압을 제공하는 점이다. 따라서 브리지 평형부(20)의 초기 세팅을 위하여 도 3 과 같은 회로를 조립하고 센서인 저항(S23, S24)을 설치하여 항상 평형 상태를 이루도록저항(VR2)을 가변시켜 기준점(B)의 기준 전압(Vreference)을 이루도록 조절하여야 한다. 이는 초기 조절 세팅시 숙련된 작업자가 조절하여야 하므로 세팅 조절이 어려운 문제점이 있다. 아울러 도 1 및 도 3 에 보인 센서인 저항(R23, R24)이 통상 접촉식 센서인 경우 최적의 온도 유지를 위하여 예를 들어 2.2 볼트의 전압을 유지하여야 하지만 제품 특성상 약 5%의 전압 변동이 있고, 도 2 와 같이 감지 가스에 반응하는 센서 저항을 통한 출력 전압은 초기 전압(V1, V2, V3) 의 상태에 따라 기울기가 일정하게 평형 상태를 이루므로, 변동폭의 전압만큼 보상 또는 감산하여 설정 농도의 기울기 값에서 동작하여야 하므로 평형 기울기가 틀려지면 센서가 오동작을 하는 요인이 된다.

본 발명은 이를 해소코자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 가스센서가 감지기능을 하는 평형회로의 초기 세팅을 별도로 하지 않고 초기치와 가스 센싱치의 변동폭을 인식하여 초기 세팅이 필요 없는 센싱 장치를 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 가스 센싱용 브리지 평형 회로부로의 전원 인가상태에서 가스의 누출 등으로 인한 저항이 변함에 다른 출력값과, 정상시의 기준 전압의 차이를 인식하여 차이값이 설정치 이상이면 초기치에 상관없이 경보를 울리 수 있도록 하여 초기 조절이 필요 없는 가스 센싱 장치를 제공토록 한다. 아울러 일반 센서와 가스 센서의 작동 전압의 차이가 있음을 인식하여, 일반 센서를 인식하는 주기에는 전압의 폭을 크게 하고, 가스 센서를 인식하는 주기에는 전압의 폭을 작게한 상태에서 이상 여부를 인식토록 하여 인식 오동작을 줄일 수 있도록 한다.

도 1 은 일반적인 접촉 연소식 가스 센서의 설치 상태를 나타낸 원리 구성도,

도 2 는 종래의 가스 센서를 통한 출력 감도를 나타낸 그래프,

도 3 은 종래의 센서를 사용한 회로 구성 예시도,

도 4 는 본 발명의 구성을 나타낸 개략 구성도,

도 5 는 도 4 에 사용된 센서 저항의 특성 그래프,

도 6 은 본 발명의 센서 출력을 인식하는 전압의 폭을 가변시키는 주기를 나타내는 특성도,

도 7 은 본 발명의 제어부 구성을 나타낸 블록 구성이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100;제어부 110;전압 분배부

120;아날로그 스위치 130;디지털 변환기

140;계산부 150;모드 선택부

160;기준전압 조정기 171,172;보조 스위치

180;타이머

즉 본 발명은 가스센서를 이루는 저항을 포함하는 브리지 평형회로의 기준점을 통한 인식전압과 변화점을 통한 변화 전압의 차이가 설정치 이상일 때를 인식하는 제어부와; 제어부가 가스 센서를 포함하는 브리지 평형부의 기준전압을 인식할 때 전압 인식폭을 좁게 세밀화 하도록 상한과 하한의 전압을 분배하는 직렬저항 구성의 전압 분배부를 포함하여 구성되고; 센서 저항을 통한 변화전압 및 기준전압의 차를 제어부에서 인식하고, 아울러 상기 전압 분배부를 통한 설정 전압폭으로 세분화 시켜 가스누출을 정확히 센싱토록 하는 가스 센싱장치를 제공한다. 상기 제어부는 일반 센서를 통한 입력과 가스센서 저항을 통한 변화 입력전압(Vin)및 기준 전압을(Vreference)을 순차 선택토록 하는 아날로그 스위치와, 인식한 일반센서를 통한 입력의 주기와 변화전압의 입력 주기를 구분하여 변화 전압의 입력시 전압단위를 좁게 선택토록 조정하는 기준전압 조정기와, 아날로그 스위치출력을 기초로 아날로그신호를 디지털 값으로 변화시키는 아날로그 디지털 변환기와, 아날로그 디지털 변환기의 출력을 계산하여 이상시로 판단되면 가스 밸브를 차단시키는 별도의 동력 제공수단을 구동시키도록 출력 신호를 제공하는 중앙처리장치인 계산부를 포함하여 구성한다.

이하 본 발명의 일 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4 는 본 발명의 개념을 설명하는 구성도로, 센서 저항(R23, R24) 과 함께 브리지 평형부를 이루는 저항(R25, R26)의 공통 노드 출력을 기준전압(Vreference)으로 제공하는 기준점(B)과, 센서 저항(R23, R24)의 공통 노드 출력을 변화 전압으로 제공하는 변화점(A)과, 전압을 분배하여 작은 설정 전위차를 제어부(1OO)에 변화전압의 입력주기와 일치하게 제공하는 전압 분배부(11O)와, 변화점(A)을 통한 입력(Vin)과 기준점(B)을 통한 기준전압(Vreference)의 차이를 전압 분배부(110)의 설정 분배 전압으로 작게하여 세밀한 차이를 인식토록 하여 가스 출력을 차단하는 동력 수단을 구동시키는 제어부(100)로 구성한다. 본 발명의 원리는 전원이 인가되면 가스 센서인 저항(R23, R24)이 안정을 이루고, 이 상태에서 기준점(B)을 통한 기준전압(Vreference)과, 변화점(A)을 통한 변화 입력전압(Vin)이 가스 누출로 인하여 저항(R23,R24) 값이 변함에 따라 변하고, 이러한 변화 전압이 제어부(100)에 인가되면, 불평형 전압을 인식하게 된다. 이 경우 가스 농도가 짙어짐에 따라 도 5 와 같이 전압(단위; mV)이 상승하게 된다. 본 발명의 원리는 기준점(B) 과 변화점(A)의 초기 영점조정이 필요 없이 초기 전압을 각각 기억하였다가 변화하는 폭이 가스농도 4000 (ppm)에서 동작하도록 설정 할 경우 가스의 종류가 예를 들어 엘엔지(LNG; Methane)인 경우에는 13(mV), 엘피지(LPG; ISO-Butane)의 경우에는 25(mV)의 차이가 나고 이를 1-2초 지속한다면 탐지한 것으로 간주한다. 지속 시간을 1-2초로 한 것은 오동작을 미연에 방지토록 한다. 상기에서 전압의 차이를 인식하는 기술의 일 예로는 전압 분배부(110)를 통한 분배 전압을 도 6 에 보인 주기(T2)에서는 작게(예를 들어 500mV) 선택하면 제어부(100) 내에 500 mV를 폭으로 예를 들어 512 등분(8비트를 사용한 경우), 즉 1mV 단위로 등분하여 변화점(B)의 변동 상황을 정확히 파악 및 인식할 수 있도록 한다. 물른 일반적인 센서(예를 들어 온도 센서)인 경우에는 전압 분배부(110)의 작동을 멈추어(이는 도 7 에 보인스위치(171, 172)를 오프 시키는 것으로 작동을 멈추도록 할 수 있는바, 이를 위하여는 도 6 에 보인 주기(예를 들어 주기(T1)) 상태와 같이 전압의 폭이 크도록 한다. 이는 일반센서의 입력 시에는 전압의 폭을 크게 하여 센서의 인식을 정확히 하여 오동작을 예방하고, 가스 센서(저항)의 경우에는 전압의 폭을 도 6 과 같이 주기(T2) 상태로 작게 제한하여 전압의 이상 여부를 정확히 인식토록 함과 아울러 초기 기준전압(Vreference)이 정확히 세팅이 되지 않아도 단지 변화전압 입력(Vin)과의 차이만을 인식한 상태에서 그 차이가 설정치 이상으로 증가될 경우

도 6 은 본 발명에 사용되는 전압 분배부(110)를 통한 분배 전압의 타임도로, 제어부(100)로의 기타 센서(예를 들어 온도 센서 등)의 입력(도 7 에 도시됨)을 선택할 때는 기존의 전위차(예를 들어 2.2 볼트)를 기준으로 이상 여부를 쉽게 인식토록 하고, 본 발명에서의 가스 센서(저항)를 통한 입력을 인식할 시점(주기(T2)에는 전압 분배부(110)의 전압폭을 500 미리 볼트로 선택한다. 이는 통상 주기 (T1) 일 때 디지털 변환시 8비트(=512) 상태일 때 2.2(V)÷512=0.414(V)로 분할하여 인식한다면, 주기(T2)일 때는 디지털 변환시에 역시 8비트(=512)상태일 때 0.5(V)÷512=0.00098(V) 단위로 분할하여 인식하므로 가스 센서를 통한 미세한 전압의 차이를 쉽게 인식할 수 있다.

도 7 은 본 발명의 전압 분배부를 통한 분배 전압으로 전압의 선택 폭을 제한하도록 구성한 제어부를 보인 블록 구성도로, 온도센서 등을 통한 각종 입력(A1-An)과, 가스센서(예를 들어 도 4 의 저항(R23, R24))를 통한 센싱 입력(Vin, Vreference)을 인가 받아 먹스 형태로 순차 스위칭 선택 출력토록 하는 아날로그스위치(120)와, 스위치(120)를 통한 스위칭 입력 값을 디지털 값으로 변환시키는 아날로그 디지털 변환기(130)와, 아날로그 디지털 변환기(130)의 변환 출력을 계산하여 상응하는 출력을 출력시키는 계산부(140)와, 계산부(140)의 계산 모드를 선택하는 모드 선택부(150)와, 센서 저항을 통한 변화점(A)의 출력(입력(Vin))을 인식하는 순간에 동기를 맞추어 전압 폭을 극소로 축소하도록 상한전압(VRT)과 하한전압(VRB)을 조정하는 기준전압 조정기(160)와, 전압 분배부(110)의 분배 전압을 선택하도록 스위칭 하는 보조 스위치(171, 172)와, 상기 기준전압 조정기(160) 및 스위치(120, 171, 172)의 작동 주기를 선정하는 타이머(180)를 포함하여 이루어진다.

이와 같이 구성한 본 발명은 브리지 평형부(190)를 이루는 센서 저항(R23, R24)의 공통 노드인 변화점(A)을 통한 변화 전압 입력(Vin)과, 저항(R25, R26)을 통한 기준점(B)에서 제공하는 기준전압(Vreference)과 도면에서는 도시하지 않았지만 온도 센서 등 기타입력(A1, A2-An)을 입력받아 스위치(120)에서 순차 선택하여 아날로그 디지털 변환기(130)에 제공한다. 이 경우 아날로그 디지털 변환기(130)를 통한 초기치의 인식으로 변화점(A)의 변화전압과 기준점(B)의 기준전압을 입력받아 초기 정상 상태의 전압차이를 인식한다. 그런데 가스 센서 저항(R23, R24)의 경우는 도 5와 같이 전압이 미소(수mV) 하여 그 변화의 차이를 인식하기가 쉽지 않고, 다른 센서를 통한 센싱 전압차이는 다소 크게되어(수V) 그 변화의 차이를 쉽게 인식할 수 있다. 따라서 본 발명은 이를 위하여 가스 센서 저항(R23, R24)을 통한 변화점(A)으로부터의 변화 전압을 인식할 때는 기준전압 조정기(160)를 통하여 상위 전압과 하위 전압의 차이를 각각 미소하게 한정하고(예를 들어 수V에서 수mV로 전압의 범위를 바꾼다. 즉, 도 6 의 주기(T1)일 때는 일반 센서를 통한 입력 전압(예를 들어 주기(T1) 때의 2.2 볼트)을 기초로 한 범위 내에서 이상 여부를 인식하고, 도 6 의 주기(T2) 일 때는 본 발명의 가스센서를 통한 입력 전압의 인식 폭을 0.5 볼트(500미리 볼트)로 한정한 상태에서 변화점(A)을 통한 전압의 입력(Vin)을 인식토록 함으로써 전압의 차이를 쉽게 알 수 있도록 한다. 즉, 일반 온도 센서를 통한 입력 센싱치는 스위치(120)의 일 입력(예를 들어 A1)을 통하여 주기(도 6 의 주기(T1)) 상태의 전압 범위 내에서 입력 및 인식되어 아날로그 디지털 변환기(130)를 통하여 디지털 값으로 변환되고, 이는 다시 계산부(140)를 통하여 기준 설정치와의 차이를 비교하여 경보 여부를 결정하고 경보 시에는 상응하는 조치(예를 들어 경보를 울리거나 자동으로 창문을 연다거나 하는 상황에 따른 조치)를 취하도록 한다.

그러나 본 발명에서는 가스 센서인 저항(R23, R24)을 통한 변화점(A) 입력(Vin)을 스위치(120)가 선택함과 동시에 스위치(171, 172) 역시 기준전압 조정기(160)를 통한 전압의 상한 및 하한을 지정하는 설정 전압(예를 들어 VRT2, VRB2)을 선택하여 전압의 폭이 수 미리 볼트를 이루도록 하고(이는 저항(R23, R24)을 통한 센싱 전압 역시 수 미리볼트를 넘지 않기 때문이다), 이러한 미소전압 설정은 상한 전압(VRT) 과 하한전압(VRB)의 차이를 수 미리(또는 수백 미리) 볼트로 도 6의 주기(T2)와 같이 조정하고, 이를 위하여 기준전압 조정기(160)의 선택 출력 작용과 스위치(171, 172) 작용의 동기를 맞추어야 한다. 물론 이를 위하여는 타이머(180)를 통한 동기의 세팅이 전제되어야한다. 아울러 본 발명의 원리가 기준점(B)을 통하여 인식한 기준 전압과 변화점(A)을 통하여 인식한 변화전압의 차이만을 인식하는 방식이므로 기준점(B)의 초기 세팅이 필요치 않다. 본 발명에서 전압 분배부(110)를 저항(R31, R32, R33, R34)으로 세분화한 것은 주기( T1, T2) 외의 다른 전압 폭이 필요할 경우를 대비하여 전압폭을 선택하여 달리 설계 가능함을 나타낸 것으로, 상기의 경우는 한가지의 다른 경우만(주기가 주기(T2) 인 경우)을 나타내어 설명하였다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상과 같이 본 발명은 가스 센서 저항을 통한 변화점의 인식은 수 미리 볼트의 전압 폭 범위에서 전압의 차이를 인식토록 하여 센싱의 정확도를 높이고, 기준전압과의 차이만을 인식하여 전압의 이상 여부를 인식하는 방식이므로 기준전압의 초기 세팅이 필요치 않아 작업에 따른 공수를 획기적으로 줄일 수 있다.

Claims (2)

1. 가스의 누출 시 센서 저항의 저항치가 변하여 전압이 변하는 것을 인식하여 가스 누출을 센싱 하는 장치에 있어서, 가스센서를 이루는 저항을 포함하는 브리지 평형회로의 기준점을 통한 인식전압과 변화 전압의 차이가 설정치 이상일 때를 인식하는 제어부와; 제어부가 가스 센서를 포함하는 브리지 평형부의 기준전압을 인식할 때 전압 인식 폭을 좁게 세밀화 하도록 상한과 하한의 전압을 각 연결노드에서 선택 분배하도록 수개의 직렬저항 구성을 이룬 전압 분배부를 포함하여 구성되고; 센서 저항을 통한 변화전압 및 기준전압의 차를 제어부에서 인식하고, 상기 전압 분배부를 통한 설정 전압폭으로 세분화 시켜 가스누출을 정확히 센싱토록 함을 특징으로 하는 가스 센싱 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 일반 센서를 통한 입력과 가스센서 저항을 통한 변화 입력전압(Vin)및 기준 전압(Vreference)을 순차 선택토록 하는 아날로그 스위치와, 인식한 일반센서를 통한 입력의 주기와 변화전압의 입력 주기를 구분하여 변화 전압의 입력 시 전압단위를 좁게 선택토록 조정하는 기준전압 조정기와, 아날로그 스위치출력을 기초로 아날로그신호를 디지털 값으로 변화시키는 아날로그 디지털 변환기와, 아날로그 디지털 변환기의 출력을 계산하여 이상 시로 판단되면 가스 밸브를 차단시키는 별도의 동력 제공수단을 구동시키도록 출력 신호를 제공하는 중앙처리장치인 계산부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 가스 센싱 장치.