KR100432444B1

KR100432444B1 - 센서가 필요없는 히터용 온도제어시스템

Info

Publication number: KR100432444B1
Application number: KR10-2002-0014310A
Authority: KR
Inventors: 정좌진
Original assignee: 주식회사 나래나노텍
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2002-03-16
Publication date: 2004-05-22
Also published as: KR20030075241A

Abstract

본 발명은 센서가 필요없는 히터용 온도제어시스템에 관한 것으로, 온도제어장치로서 열전대에 의한 접촉식 온도제어방식을 이용하는 대신에, 히터의 비 저항계에 의해 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출하여 히터의 온도를 측정하고 이를 피드백제어함으로써 일정범위내에서 안정된 온도제어가 이뤄지도록 한다.

즉, 본 발명에서는 히터(1)의 비 저항계를 이용한 온도측정을 수행함에 있어 기준저항(3)을 배치하고, PWM 신호방식을 적용하여 PWM 출력의 OFF 구간동안 기준저항(3)에 회로의 경로를 거치게함으로써, 기준저항의 자체발열이 일어나지 않도록 최저 전압을 인가하여 온도측정을 수행함으로써, 안정된 온도측정 및 제어가 가능하도록 한다.

또한, 히터(1)의 비 저항계를 이용한 온도를 제어함에 있어서, PWM 출력의 ON 구간동안 히터가열 회로의 효율을 높이기 위해 기준저항(3)의 회로경로를 차단하고, 일정시간동안 히터(1)를 직접적으로 최대용량만큼 순간 가열시킴으로써, 전류의 손실 및 기준저항의 발열을 방지하고 안정된 온도제어가 가능하도록 한다.

Description

센서가 필요없는 히터용 온도제어시스템{Temperature control system for heater without sensor}

본 발명은 센서가 필요없는 히터용 온도 제어시스템과 그의 온도 제어방식에 관한 것으로, 기구적 접촉식 외부센서를 장착하지 않고 온도변화에 의해 선형적으로 변화하는 히터의 비 저항계를 이용한 도체의 저항변화를 검출함으로써 정확한 히터의 온도를 산출하고, 이에 따라 히터의 인가 전원을 제어함으로써 항상 요구 온도를 유지할 수 있도록 하는 센서가 필요없는 히터용 온도제어시스템에 관한 것이다.

일반적으로 임의온도에서 열적 안정성을 요구받는 히터는 임의설정된 온도 범위내에서 가열되도록 하기 위하여 온도조절장치를 구비하고 있는데, 이를 위하여 정확한 온도의 측정이 필요로 하며 대개는 도 4에서와 같은 열전대(Thermo-couple)에 의한 온도감지방식을 채택하고 있으며 이에 의해 감지된 온도를 기준으로 온도를 조절하고 있다.

열전대에 의해 검지되고, 검지된 온도를 바탕으로 온도를 조절하는 방식은 대개의 경우 on/off 스위칭 방식으로서, 히터 가열시 단속적인 오버슈트(Over-shoot)가 발생되므로 온도의 증감이 일정치 않고 진폭이 큰 단점이 있다. (도 6 참조)

또한, 히터가 작고 매우 국소적인 작업을 하는 정밀한 장치일 경우에는, 열전대가 상대적으로 큰 부피를 차지하게되므로 설치작업이 매우 어렵고 히터의 이동이나 히터에 의해 작업이 이루어지는 경우와 같이 장치내에서 구성체로 사용될 경우 주변장치에 의한 간섭현상이 발생되기 쉬울 뿐만 아니라, 열전대가 소용량의 열원을 가지는 히터에 사용될 경우에는 열전대 자체적인 열전도 및 열전대 결합부위에서 발생하는 대류현상에 의해 온도측정편차가 크게 발생되며, 고온에서 장기간 사용시 열전대 자체의 산화(酸化)가 발생, 열전대 수명에 한계성이 있고, 고온용 히터에 열전대를 설치할 경우 특수한 기구적 방법에 의해 부착하거나 세라믹 소재와 같은 특수본드를 사용해 부착하여야 하며, 특히 소용량의 고온히터에서는 기구적 방법이 부적절하므로 어쩔 수 없이 특수본드를 사용하여 부착하여야 하는데, 특수본드의 사용은 기구적 충격 및 열충격에 대해 매우 취약하므로 부착 내구성 및 정밀온도제어의 문제가 잔존하여 궁극적으로 히터를 이용한 작업상의 작업 품질을 기대키가 어려워진다.

본 발명의 목적은, 온도측정방식 및 이에 의한 온도제어시스템으로서 열전대에 의한 접촉식 온도제어방식을 이용하는 대신에, 히터의 온도에 따른 선형적 비 저항계 특성을 이용해 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출하여 히터의 온도를 측정하고 이를 피드백 제어함으로써 일정범위 내에서 안정된 온도제어가 이뤄지도록 한다. 온도에 따른 선형적 비 저항 특성을 갖는 소재로는 대표적으로 텅스텐, 티타늄등을 들 수 있으며, 온도를 제어하는 온도구간이 상대적으로 좁을 경우에는 온도에 따른 비 저항 특성이 비교적 선형적이지 못한 소재로 구성된 히터도 일정오차 범위내에서는 제어가 가능하다.

즉, 본 발명에서는 히터의 비 저항계를 이용한 온도측정을 수행함에 있어 기준저항을 배치하고, PWM 신호방식을 적용하여 PWM출력의 OFF 구간동안 기준저항에 회로의 경로를 거치게 함으로써, 기준저항의 자체발열이 일어나지 않도록 최저 전압을 인가하여 온도측정을 수행함으로써, 안정된 온도측정 및 제어가 가능하도록 한다.

또한, 히터의 비 저항계를 이용한 온도를 제어함에 있어서, PWM 출력의 ON 구간동안 히터가열 회로의 효율을 높이기 위해 기준저항의 회로경로를 차단하고, 일정시간동안 히터를 직접적으로 최대용량만큼 순간 가열시킴으로써, 전류의 손실 및 기준저항의 발열을 방지하고 안정된 온도제어가 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 온도제어시스템을 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 제어흐름을 도시한 제어동작도,

도 3은 본 발명이 적용되는 히터에서의 온도에 대한 비 저항 특성 예시도,

도 4는 종래기술에 따른 히터 및 온도제어시스템을 개략적으로 도시한 전기회로도,

도 5는 본 발명에 따른 히터의 시간대비 전류, 온도변화를 도시한 특성도,

도 6은 종래기술에 따른 히터의 시간대비 전류, 온도변화를 도시한 특성도.

*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 ; 히터 2 ; 히터저항

3 ; 기준저항 4 ; 히터전압 측정용 A/D변환기

5 ; 전류검출용 A/D변환기 6 ; 전압 및 전류 제어회로

7 ; CPU 8 ; 입력장치

9 ; 표시장치

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의해 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 온도제어기의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 온도제어기의 제어흐름을 도시한 제어동작도이며, 도 3은 본 발명에 적용되는 히터에서의 온도에 대한 비저항 특성예시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 히터의 시간대비 전류, 온도변화를 도시한 특성도이다.

먼저 도 1에서 보면, 히터저항(2)에 전류가 흐를때에 발생되는 저항열을 이용한 히터에 있어서, 온도변화에 거의 영향을 받지 않을 정도로 상기 히터저항(2)에 비해 상대적으로 큰 저항값을 갖는 기준저항(3)이 상기 히터저항(2)에 직렬로 연결되고, 상기 기준저항(3)과 히터저항(2)의 사이에는 전압 및 전류제어회로(6)가 연결되고, 상기 기준저항(3)의 양단에 연결된 전류검출용 A/D 변환앰프(5)와 상기 히터저항(2)의 양단에 연결된 히터 측정용 A/D 변환기(4)는 상기 전압 및 전류 제어회로(6)와 연결된 CPU 주회로(7)에 각각 연결됨으로써, PWM 출력의 OFF 구간동안에는 상기 기준저항(3)의 회로 경로를 거치도록 제어함으로써(A 루프) 상기 기준저항(3)이 발열되지 않도록 최소 전압을 인가하여 히터(1)의 온도를 측정하고, PWM 출력의 ON 구간동안에는 히터가열회로의 효율을 향상시키기 위해 상기 기준저항(3)의 회로 경로를 차단하도록 제어함으로써(B 루프) 상기 히터(1)가 집중적으로 순간 가열되도록 함을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에서는 히터의 비 저항계를 이용하여 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출함으로써 히터(1)의 온도를 측정하고, 그 온도가 일정범위 내에서 유지되도록 한다.

도 1에서 보면, A 루프를 통해 기준저항(3)에 흐르는 전압 먼저 측정하고, 상기 전압값에 의해 전류를 산출해서 히터저항(2)의 저항값을 계산한 다음 이 값과 전압변화에 따른 온도관계를 추정함으로써, 상기 CPU 주회로(7)에서는 적정온도의 도달여부를 판단하게되며, 가열이 필요한 경우에는 A 루프에서 B 루프로 전환되어 상기 히터(1)의 가열을 B 루프를 통해 순간적으로 가열되도록 하고, 다시 A 루프로 전환하여 온도측정과정을 반복하도록 제어한다.

히터(1)의 온도 측정방법에 대해 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.

본원발명에서는 기준저항(3) R_ref가 히터저항(2) R_h보다 훨씬 큰 값이므로 (R_ref》R_h), 기준저항(3) R_ref는 온도변화에 관계없이 거의 일정한 값을 유지하는데, 이때 기준저항(3)인 R_ref와 전위차 V_ref는 측정값에 의해 알고 있으므로 기준저항(3)에 흐르는 전류값(I= V_ref/ R_ref)을 계산할 수 있다.

또한, 인가되는 전체전압(V_total)과 기준저항(3)의 전압(V_ref)은 측정값에 의해 이미 알고 있으므로 히터저항(2)의 전압(V_h=V_total- V_ref)을 계산할 수 있으며, 이 값에 의해 히터저항(2)의 저항(R_h=V_h/ I)을 계산할 수 있다.

이와 같이 히터저항(2)의 저항값이 계산되면, 도 3에서와 같은 비 저항(R_h/ R_ref)와 온도 특성 그래프 또는 별도로 측정되는 기준수치값을 통하여 히터(1)의 온도를 구할 수 있으며, 이 값은 CPU 주회로(7)를 거쳐 표시장치(9)에서 디스플레이되며, 이 값이 설정온도보다 낮을 경우에는 A 루프에서 B 루프로 전환되어 상기 히터(1)의 가열을 B 루프를 통해 순간적으로 가열되도록 하고, 다시 A 루프로 전환하여 온도측정과정을 반복하도록 제어한다.

따라서, 저전압을 통하여 도 2와 같은 반복된 온도제어 흐름을 나타내게된다. 즉, 제어출력 구간을 PWM 주기의 95 Duty Cycle을 이용하고, 제어출력의 OFF 구간인 출력 통제구간 동안 온도측정을 수행함으로써 안정된 온도 검출이 가능토록 한다.

본 발명은 PID 피드백 제어에 의해 온도 추종성이 우수하며, PWM 신호모듈을 사용, 제어량을 디지털신호로 세분화하여 통제함으로써 실제어출력은 연속적인 형태로 나타나기 때문에 단속적인 ON/OFF 방식 보다 안정되고 세밀한 레벨제어가 가능케 된다. (도 5 참조)

또한, 주 전원을 이용하여 히터 저항값 및 히터 온도를 측정하게되므로 온도센서를 별도로 부착할 필요가 없고, 외부 센서를 필요로 하지 않으므로 공간적, 환경적인 제약을 받지 않게 될 뿐만 아니라, 별도의 센서 교환없이도 반영구적으로 사용할 수 있는 것이다.

본 발명에서 사용된 PWM(Pulse Width Modulation)제어방식에서는 단위시간당 펄스의 간격 변화를 제어하고자하는 전원목표치의 레벨량으로 변화시켜 출력 제어함으로써 안정된 레벨링 제어가 가능케 된다.

즉, 디지털방식에 의한 실시간 제어신호를 아날로그출력으로 전환하여 제어함으로써 부드러운 레벨 제어가 가능하며, ON/OFF 스위칭 제어방식보다 전원량을 지속적으로 안정되게 통제할 수 있으므로 보다 세밀한 온도제어가 가능할 뿐만 아니라, ON/OFF 시의 열충격이 없으므로 히터 수명이 절대적으로 양호해진다.

이상 설명드린 바와 같이 본 발명에서는, 온도제어장치로서 열전대에의한 접촉식 센서에 의한 온도제어방식을 이용하는 대신에, 히터의 비 저항계에 의해 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출하여 히터의 온도를 측정하고 이를 피드백제어 함으로써 일정범위 내에서 안정된 온도제어가 이뤄지도록 한다.

즉, 본 발명에서는 히터(1)의 비 저항계를 이용한 온도측정을 수행함에 있어 기준저항(3)을 배치하고, PWM 신호방식을 적용하여 PWM 출력이 OFF 구간동안 기준저항(3)에 회로의 경로를 거치게 함으로써, 기준저항의 자체발열이 일어나지 않도록 최저 전압을 인가하여 온도측정을 수행함으로써, 안정된 온도측정 및 제어가 가능하도록 한다.

뿐만 아니라, 본 발명에서는 온도센서를 별도 부착할 필요가 없으므로 그 구조가 단순하고 협소한 공간에도 설치 가능할 뿐만 아니라, PWM 제어방식을 채택하여 레벨 제어가 가능하게 하고 기존 ON-OFF 스위칭방식에 비해 히터의 열충격이 절대적으로 감소되며, PID 제어방식을 채택함으로써 실시간 온도제어가 가능하고 실시간으로 제어 온도를 표시할 수 있게된다.

Claims

히터저항(2)에 전류가 흐를때에 발생되는 저항열을 이용한 히터에 있어서, 온도변화에 거의 영향을 받지 않을 정도로 상기 히터저항(2)에 비해 상대적으로 큰 저항값을 갖는 기준저항(3)이 상기 히터저항(2)에 직렬로 연결되고, 상기 기준저항(3)과 히터저항(2)의 사이에는 전압 및 전류제어회로(6)가 연결되고, 상기 기준저항(3)의 양단에 연결된 전류검출용 A/D 변환앰프(5)와 상기 히터저항(2)의 양단에 연결된 히터 측정용 A/D 변환기(4)는 상기 전압 및 전류 제어회로(6)와 연결된 CPU 주회로(7)에 각각 연결됨으로써, 상기 히터저항(2)이 센서역할을 하므로 센서의 추가적인 사용이 필요치 않고 히터의 내부에서 변화되는 비저항계의 특성을 이용하여 피드백 제어되도록 구성되고, PWM 출력의 OFF 구간동안에는 상기 기준저항(3)의 회로 경로를 거치도록 제어하여(A 루프) 상기 기준저항(3)이 발열되지 않도록 최소 전압을 인가하여 히터(1)의 온도를 측정하고, PWM 출력의 ON 구간동안에는 히터가열회로의 효율을 향상시키기 위해 상기 기준저항(3)의 회로 경로를 차단하도록 제어함으로써(B 루프) 상기 히터(1)가 집중적으로 순간 가열되도록 함을 특징으로 하는 센서가 필요없는 히타용 온도 제어시스템.
삭제
제 1항에 있어서, A 루프를 통해 기준저항(3)에 흐르는 전류를 먼저 측정하고, 상기 전류값에 의해 히터저항(2)의 저항값을 계산한 다음 이 값과 전압변화에 따른 온도관계를 추정함으로써, 상기 CPU 주회로(7)에서는 적정온도의 도달여부를 판단하게되며, 가열이 필요한 경우에는 A 루프에서 B 루프로 전환되어 상기 히터(1)의 가열을 B 루프를 통해 순간적으로 가열되도록 하고, 다시 B 루프로 전환하여 온도측정과정을 반복하도록 제어함을 특징으로 하는 센서가 필요없는 히타용 온도 제어시스템.