KR100384355B1 - 부성온도계수센서를사용하여온도를측정하는방법및관련장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부성 온도 계수 센서(10)를 사용하여 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 이 센서는 적어도 하나의 소위 "풀 업(pull up)" 레지스터(R₁, R_1A, ..., R_1N)와 병렬로 연결된 적어도 하나의 트랜지스터(T)를 포함하는 신호 처리 스테이지(11)와 결합되어 있다. 아날로그/디지털 변환기(13)는 상기 저항(R_T)과 상기 "풀 업" 레지스터들의 중간 점에서 취해진 전압 값(N₀, N₁)을 아날로그 입력(12)으로 읽는다. 이 방법은 다음의 단계들을 포함한다.

a) 상기 트랜지스터(T)가 정규적으로 교대로 온과 오프 동작을 하도록 소위 구형파(square-wave) 전압을 가지고 상기 트랜지스터를 구동하는 단계,

b) 상기 트랜지스터(T)가 온일 때 그리고 상기 트랜지스터가 오프일 때 변환기(13)의 아날로그 입력(12)에서 상기 전압(V_RT)의 값을 측정하는 단계,

c) 이 두 측정치들에 기초하여 상기 트랜지스터의 포화 전압(V_CE)을 결정하는 단계, 그리고

d) 거기로부터 상기 보정된 전압 값(N_0corr, N_1corr)을 이끌어내는 단계 및 거기로부터 상기 센서(10) 주위의 온도를 이끌어내는 단계.

또한 본 발명은 이러한 유형의 방법을 사용하는 장치와 관련이 있으며, 특히 자동차 전자제품들의 분야에 적용된다.

Description

부성 온도 계수 센서를 사용하여 온도를 측정하는 방법 및 관련 장치

센서들의 저항이 그것을 내포하고 있는 매체의 온도에 관한 함수로서 다양하게 나타나는 그러한 센서들의 사용은 이미 널리 알려져있다. 이 저항 변화를 측정함으로써, 그리고 그 측정된 신호를 처리한 후에, 센서 둘레의 온도를 나타내는 디지털 값 N이 결정된다.

일반적으로, 부성 온도 계수를 가지고 있는 온도 센서(NTC 센서라고도 불리운다)에 있어서, 전압원(VA)이 센서에 가해지고 직렬로 연결된 레지스터("풀 업(pull up)" 레지스터라고 불리운다)가 전압원의 양극에 연결된다. 레지스터와 센서의 사이에 있는 중간 점으로부터 받아들여진 아날로그로 측정된 신호는 아날로그/디지털 변환기로 보내진다. 이 변환기는 또한 기준 전압을 받아들이는데, 이는 센서에 의하여 측정된 온도를 나타내는 디지털 값(N)을 생성하기 위한 것이다.

그러나, 이런 유형의 디바이스들은 중요한 단점을 가지고 있는데, 즉 확장된범위에 걸쳐 변화하는 온도를 높은 정밀도를 가지고 측정하기가 어렵다는 것이다.

이러한 단점을 극복하기 위하여, 다수의 다른 전압원들 사이의 변환기의 기준 전압을 스위칭하는 것이 널리 알려져 있다. 하나의 측정된 온도 범위는 각 기준 전압에 대응한다. 이것은 확장된 범위에 걸쳐 변화하는 온도를 정확하게 모니터링하기 위한 다수의 측정 척도들을 제공한다. 예를 들어, 자동차 분야에서, 측정되는 온도의 범위는 -40˚내지 +140˚까지 다양하다.

다수의 기준 전압들을 다지고 있는 이런 유형의 장치들의 단점은 변환기에 정확하게 측정되는 다수의 전압원들이 제공되어야 한다는 것이다. 정확하게 측정되는 다수의 전압원들은 매우 비싸다는 문제가 있다.

따라서 온도 범위의 전범위에 걸쳐 매우 정확한 측정을 보장하면서 단일의 전압원만을 사용하는 온도측정 방법을 고안해 내는 것이 요망된다.

EP 0203350 문서에 의한 예에서는, 다른 온도 척도에서 온도의 측정을 모니터링하기 위하여, 센서와 직렬로 연결된 레지스터의 저항을 (이 레지스터와 병렬로 연결된 트랜지스터를 스위칭함으로써) 변화시키는 것이 널리 알려져 있다. 그러나, 이 기법은 측정 브랜치에서 전류의 흐름을 변경하는 단점이 있으며, 특히 전압 강하와 트랜지스터 전류의 누출 때문에 오류가 발생한다는 것이다.

본 발명은 부성 온도 계수 센서를 사용하여 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 특히, 이러한 유형의 방법은 자동차 전자제품(automobile electronics)에 관한 분야에서 사용되도록 고안되었다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 사용하는 온도 측정 장치를 나타내는 개략도.

도 2는 둘 이상의 온도 범위들이 사용되는 경우를 보여주는, 도 1과 유사한, 개략도.

그러므로 본 발명의 목적은 단일의 기준 전압을 사용하되, 단일 처리 스테이지에서 트랜지스터들의 존재에 기인하는 오류들을 정확하게 결정하여 이를 염두에 두고 그들을 제거하고자 함에 있다.

이 목적을 위하여, 본 발명은 부성 온도 계수를 사용하여 온도를 측정하는 방법에 관련된 것이며, 센서는 다양한 내부 저항을 가지며 적어도 하나의 소위 "풀 업(pull up)" 레지스터와 병렬로 연결된 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하는 신호 처리 스테이지와 관련이 있으며, 센서와 "풀 업" 레지스터들의 중간 점에서 취해진 전압은 아날로그/디지털 변환기의 아날로그 입력으로 읽혀지며, 상기의 방법에 따라서 트랜지스터가 정규적으로 온과 오프의 교대 동작을 하도록 소위 구형파(square-wave) 전압으로 트랜지스터가 구동되며, 트랜지스터가 온일 때 그리고 트랜지스터가 오프일 때 변환기의 아날로그 입력에서 전압의 값이 측정되며, 상기 방법은 다음의 단계들로 구성된다.

- 이 두 측정값에 기초하여 트랜지스터의 포화 전압을 결정하는 단계

- 거기에서 컨버터의 아날로그 입력에 도달한 보정 전압 값을 이끌어내는 단계와 이 보정 전압 값에서 센서 주위의 온도를 이끌어내는 단계

그러므로, "풀 업" 레지스터와 병렬로 된 트랜지스터가 온 및 오프일 때 변환기의 입력을 측정함으로써, 트랜지스터의 포화 전압이 결정된다. 그러면 변환기의 입력에서 측정된 전압은 트랜지스터의 포화 전압을 고려함으로써 보정 된다. 거기에서, 단일의 전압원을 사용하는 동안 몇몇 측정 범위들을 가지는 것이 가능하다. 하나의 범위에서 다른 범위로 스위칭하는 것은 각 스위치된 트랜지스터의 전압이 알려져 있기 때문에 측정치에 관계없이 "풀 업" 레지스터와 병렬로 연결된 트랜지스터들을 사용함으로써 이루어지게 된다. 이 포화 전압이 고려되어질 때, 취해진 측정치들은 더 이상 트랜지스터들의 존재에 의하여 발생하는 오류에 영향을 받지아니한다.

또한, 이 포화 전압은 계속해서 결정되어 질 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 방법은 "풀 업" 레지스터와 병렬로 연결된 트랜지스터들의 포화 전압을 알아내는 것을 포함한다.

유익하게는, 포화 전압의 값이 센서 주위의 온도를 계산하는데 사용되어지기 전에 필터 된다.

포화 전압이 결정되었으면, 센서와 "풀 업" 레지스터들 사이의 전압 값은 높은 정밀도를 가지고 그리고 트랜지스터의 포화 전압과 독립적으로 얻어진다.

본 발명은 또한 상기에서 설명된 방법을 사용하여 포화 전압을 측정하는 장치와도 관련이 있다.

본 발명의 다른 목적들, 특징들, 그리고 이점들은 하기의 설명, 비한정적인 예, 그리고 첨부된 도면들에 의하여 더욱 명확히 드러날 것이다.

도 1에 도시된 실시예에 따라서, 온도 측정 센서(10)는 센서의 출력 신호를 처리하기 위하여 스테이지(stage)(11)와 결합된다. 이 처리된 신호는 아날로그/디지털 변환기(13)의 아날로그 입력(12)으로 주어진다. 설명된 실시예의 상황에서 사용되는 센서(10)는 그것을 내포하는 매체의 온도에 따라 변화하는 내부 저항(R_T)을 갖는다. 센서의 저항(R_T)은 매체의 온도가 감소함에 따라서 감소한다. 이런 유형의 센서는 부성 온도 계수 센서(negative temperature coefficient sensor)라고 한다.

전통적인 방법으로, 변환기(13)는 기준 전압(V_ref)이 제공되며, 필터(R₆, C₂)에 의하여 이미 알려진 방법으로 필터 된다.

이와 비슷하게, 센서의 저항을 거쳐서 수집된 전압(V_RT)은 필터(R₅, C₁)에 의하여 이미 알려진 방법으로 필터 된다.

센서 신호를 처리하기 위한 스테이지(11)는 ,제시된 예에서, 소위 "풀 업" 레지스터들(R₁및 R₂)로 구성된다. 이 두 레지스터들은 직렬로 연결되고 그들에게 인가된 전원 전압(V_A)을 가진다. 레지스터(R₁)는 그것과 병렬로 연결된 트랜지스터(T)를 가진다. 이 트랜지스터는 두 개의 레지스터들(R₃및 R₄)과 더 결합된다.

변환기(13)는 트랜지스터(T)를 제어할 목적으로 설계된 출력(14)을 가진다. 제시된 예에서, 이 출력(14)은 실질선 구형파 형상인 신호를 트랜지스터(T)에 보낸다. 이런 이유로, 이 신호의 반 사이클 동안, 트랜지스터(T)는 그 다음의 반 사이클 동안 오프 된다.

트랜지스터가 오프일 때, 두 레지스터들(R₁및 R₂)은 센서의 저항(R_T)과 직렬이다. 트랜지스터(T)가 온일 때, 오로지 레지스터들(R₂) 만이 센서의 저항과 직렬이다. 이런 이유로, 두 온도 측정 범위가 가능하다.

본 발명에 따른 방법의 수순 및 장치의 동작은 아래에서 설명된다.

트랜지스터(T)의 포화 전압이 첫 번째로 결정된다. 이것을 하기 위하여, 사실상 구형파인 제어 신호가 트랜지스터(T)로 보내진다. 트랜지스터가 오프일 때, 변환기(13)의 입력(12)에 도달한 전압(V_RT)이 측정된다. 변환기에 의하여 측정된 것처럼, 이 전압의 값(N₀)은 다음과 같다.

이 공식에서, 1023은 변환기의 동적 응답에 따른 변수이다.

트랜지스터(T)가 온일 때, 변환기의 입력(12)에서 전압(V_RT)이 측정된다. 이 전압의 값(N₁)은 다음과 같다.

여기에서 V_CE는 트랜지스터(T)의 포화 전압이며 V_A는 "풀 업" 레지스터들(R₁및 R₂)을 포함하는 측정 브랜치의 전원 전압이다. 이 두 식(수학식 1 및 2)은 다음과 같은 두 개의 식을 만들어 낸다.

그러므로 트랜지스터(T)의 포화 전압은 값(N₀및 N₁)에 기초하여 즉시 정의된다. 이 마지막 식에서의 모든 변수들은 알려져 있는 것들이다. 그러므로 포화 전압 (V_CEcorr)을 결정하는 것은 쉽다. 두 번째로, 측정된 포화 전압은 측정값의 해상력을 증가시키기 위하여 디지털 필터를 사용하여 필터 된다. 이 목적을 위하여, 시간 n-1에서의 V_CEcorr의 값과 관련하여, 시간 n에서의 V_CEcorr가 다음과 같이 정의된 것으로 가정한다.

세 번째로 N₁의 보정 값은 포화 전압을 고려함으로써 계산된다. 이 보정값(N₁)은 N_1corr라고 불리운다. 그러면 다음의 식이 얻어진다.

보정 값들(N₁및 N₀)은 V_CE와 완전히 독립적으로 표현된다.

사실상, 식(수학식 6)의 적용은 다음과 같이 이루어진다.

이 두 값들은 온도 센서 주위의 온도를 결정하기 위하여 직접 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 덕택으로, 센서를 내포한 매체의 온도 결정은 트랜지스터(T)의 포화 전압에 독립적임이 명백하다. 이런 이유로, 이제는 다수(도 1에 도시된 경우는 둘)의 온도 측정 범위들을 제공하면서도, 변환기를 위한 단일의 기준 전압만을 상용하는 것이 가능하게 되었다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 사용하는 장치를 만들어내기 위하여 상보형 아날로그 입력을 갖는 변환기를 구비하는 것이 요구되지 아니한다.

도 2에서와 같이, 위에서 나타난 방법들은 두 개 이상의 온도 범위가 사용되는 경우에도 일반화되어 사용될 수 있다. 이 경우, 부가적인 온도 범위들의 수와 같은 수의 "풀 업" 레지스터들을 추가하는 것으로 충분하다. 도 2에서 보여지는 예에서, 부가적인 하나의 " 풀 업" 레지스터(R_1A)가 추가되었다. 그리고 이 부가적인 레지스터(R_1A)는 위에서와 같이 트랜지스터(T_A)와 결합된다. 도 1의 환경에서 설명된 것과 동일한 방법이 이 두 번째 트랜지스터(T_A)에 적용되어 그 포화 전압을 결정한다. 이 두 번째 트랜지스터(T_A)와 결합된 회로도는 도면의 부담을 줄이기 위하여 개요만으로 나타나 있다.

온도 범위들의 수를 높일 필요가 있을 때마다 트랜지스터(T_N)와 결합된 "풀 업" 레지스터(R_1N)를 추가하는 것으로 족하다는 것을 알 수 있다. 레지스터(R_1N) 및 트랜지스터(T_N)를 구성하는 각 요소들은 트랜지스터(T)와 결합된 레지스터(R₁)와 같은 방식으로 동작한다.

위에서 설명된 디지털 필터링을 하도록 하는 것이 바람직하지만 이 단계는 반드시 필요한 것은 아니다. 이 단계의 특별한 목적은 V_CE측정값의 해상력을 증가시키기 위한 것이다. 이러한 유형의 필터링이 수행되지 아니하면, 측정된 V_CE의 측정값의 해상력 직접적으로 감소할 것이며, 따라서, N_1corr의 해상력 또한 감소한다.

상기에서 설명된 방법 및 장치는 계속하여 사용될 수 있다. 이 경우, 그의 동작 기간동안 트랜지스터의 포화 전압에 있어서의 변화를 모니터링하는 것이 가능하다. 그러므로 이런 유형의 방법은 트랜지스터의 포화 전압을 자동으로 알아내는 것을 포함한다. 이 알아내는 절차는 트랜지스터의 노후 그리고/또는 이 트랜지스터의 온도 그리고/또는 그의 작동 조건 등 때문에 생기는 포화 전압에서의 변화를 고려에 넣는 것이 가능하다.

Claims (7)

1. 부성 온도 계수 센서(10)를 사용하여 온도를 측정하는 방법으로서, 상기 센서는 다양한 내부 저항(R_T)을 가지며 적어도 하나의 소위 "풀 업(pull up)" 레지스터(R₁, R_1A, ..., R_1N)와 병렬로 연결된 적어도 하나의 트랜지스터(T)를 포함하는 신호 처리 스테이지(11)와 결합되어 있으며, 상기 저항(R_T)과 상기 "풀 업" 레지스터들의 중간 점에서 취해진 전압 값(N₀, N₁)은 아날로그/디지털 변환기(13)의 아날로그 입력(12)으로 읽혀지며, 상기 방법에 따라서 트랜지스터(T)가 정규적으로 온과 오프의 교대 동작을 하도록 소위 구형파(square-wave) 전압으로 트랜지스터가 구동되며, 트랜지스터(T)가 온일 때 그리고 트랜지스터가 오프일 때 변환기(13)의 아날로그 입력(12)에서 전압의 값(N₀, N₁)이 측정되는 방법에 있어서,

   a) 상기 두 측정치들에 기초하여 상기 트랜지스터의 포화 전압(V_CE)을 결정하는 단계, 그리고

   b) 상기로부터 상기 보정된 전압 값(N_0corr,N_1corr)을 이끌어내는 단계 및 상기로부터 상기 센서(10) 주위의 온도를 이끌어내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 트랜지스터의 상기 포화 전압(V_CE)의 값을 상기 온도의 계산에서 사용하기 이전에 필터링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 트랜지스터의 상기 포화 전압(V_CE)을 계속해서 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 트랜지스터의 동작 동안에 상기 트랜지스터의 포화 전압에서의 변화를 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
5. 제 1항, 제 2항 또는 제 4항 중의 어느 한 항의 방법을 사용하며, 부성의 온도 계수를 가지는 온도 센서(10)를 구비하는 온도 측정 장치에 있어서,

   상기 센서의 저항(R_T)과 직렬인 적어도 두 개의 레지스터들(R₁, R_1A, ... R_1N);

   상기 트랜지스터가 오프일 때, 상기 두 레지스터가 상기 센서의 상기 저항과 직렬이 되도록, 그리고 상기 트랜지스터가 온일 때, 상기 두 레지스터 중의 오직 하나 만이 상기 센서의 상기 저항과 직렬이 되도록 상기 두 개의 레지스터 중의 하나와 병렬로 놓인 트랜지스터(T); 그리고

   상기 레지스터들(R₁, R_1A, ..., R_1N)과 상기 센서의 저항(R_T) 사이에서 취해진 상기 전압(N₀,N₁) 값을 아날로그 입력으로 받아들이는 컨버터(13)로써, 상기 컨버터는 상기 트랜지스터가 오프일 때, 그리고 상기 트랜지스터가 온일 때 이 전압을 측정하기 위하여 설계되었고, 거기로부터 상기 트랜지스터의 포화 전압(V_CE)을 이끌어내고 상기 포화 전압을 상기 센서 주위의 이 온도를 특정하기 위하여 고려하도록 하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   적어도 두 개의 온도 측정 범위를 가지며 단일의 기준 전압(V_ref)을 사용하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   다수의 트랜지스터들(R₁, R_A, ... R_N)을 포함하며, 상기 다수의 "풀 업" 레지스터들(R₁, R_1A, ..., R_1N) 각각과 병렬로 놓이며, 그것이 다수의 온도 측정 범위들을 가지도록 하고 상기 트랜지스터들(R₁, R_A, ... R_N) 각각의 포화 전압들(V_CE)을 결정하도록 고안된 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.

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