KR100477450B1 - 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공이온펌프 컨트롤러 및 이를 이용한 진공도 측정방법 - Google Patents

Abstract

고 진공에서 저 진공까지 상향 및 하향하면서 정밀도 높은 진공측정용 이온펌프 컨트롤러를 이용하여 미리 정해져 있는 구간별로 전류값과 진공도값을 구한 후, 디지털 값으로 변환하여 룩업테이블에 저장해두는 단계와; 실제 진공도 측정에 있어서, 다수(n)개의 전류값을 검출하여 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 변환단계와; 상기 값으로부터 직선의 식을 구하는 라인피팅 단계와; 상기 직선의 식의 기울기(a)에 의하여 진공의 변화 방향이 상향인지 불변인지 하향인지를 판별하는 단계와; 상기 진공변화의 방향에 따라 상향용, 불변용 또는 하향용 룩업데이블을 참조하여 그 전류값에 대한 진공도를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전류 대 진공도에서 발생하는 히스테리시스 효과에 대응할 수 있으며, 외국의 고가 고정밀 제품이 계산한 진공도를 저장하여 이용하므로 고 정밀 측정을 가능하고, 진공도 계산을 위한 부분과 결과를 출력하고 내부 파라메터를 변환하기 위한 부분을 분리하여 하드웨어를 구성하여, 저가격의 8비트 마이크로 프로세서로 구현하므로 수입대체 효과 및 장비 저렴화, 유지보수의 편의성 증대의 효과가 있다.

Description

마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러 및 이를 이용한 진공도 측정방법 {Vacumm Ion Pump Controller based on Software and Microprocessor and Measuring Method of Vacumm Using the same}

본 발명은 두 개의 8비트 마이크로 프로세서 및 주변 회로를 이용하여 하드웨어를 구성하고, 소프트웨어 방법을 통하여 진공용기의 진공도를 측정하고, 디스플레이하며, 고압을 제어하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러 및 이를 이용한 진공도 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 방사광 가속기 등 진공 상태에서 동작하는 진공 기기의 내부 진공도를 측정하기 위하여 반드시 필요한 장비는 진공도 측정기이다. 이때, 진공 펌프를 사용하여 진공기기 내부의 공기 혹은 특수 가스를 빼내거나 내부로 주입시켜 사용자가 원하는 정도의 진공도를 조절하며, 동시에 진공 측정기를 통하여 진공도를 정확하게 측정하여야 한다.

진공도의 측정 원리는 진공 기기 내부에 고압을 걸어 강제 방전을 발생시키고, 이때 흐르는 전류의 양을 측정하여 진공도를 얻는 것이다. 진공 용기를 진공화시킬 경우, 진공용기 내부는 단위 체적당 이온 양이 감소하게 되며, 진공도가 높아질수록 두 전극 사이에 흐르는 전류의 양이 줄어들게 된다. 따라서 고 진공으로 갈수록 진공도를 정밀하게 측정하기 위해서는 진공용기 내의 전극에 더 높은 전극을 걸어주어야 하며, 이때 흐르는 전류를 정확하게 측정할 수 있어야 한다.

즉, 진공 측정을 위하여 진공용기 내에 흐르는 전압 및 전류의 양을 측정하면서 동시에 전압값을 적절하게 제어해 주어야 한다. 이 작업을 수행하는 장치를 이온 펌프 컨트롤러라고 한다. 도 1에 이온펌프 컨트롤러의 하드웨어 구성도를 간략하게 보였으며, 도 2에 진공 용기 내부의 전극 배치 및 외부의 이온펌프 컨트롤러의 동작 내용을 나타내었다.

현재 존재하는 진공 측정용 이온 펌프 컨트롤러는 매우 비싼 장비로서, 국내외적으로 개발 업체가 많지 않은 실정이다. 또한 진공 측정 기기마다 동일한 진공에 대한 측정값이 각각 다르며, 진공도 측정을 위한 정확한 자료는 공개되지 않고 있는 실정이다.

현재 국내에서 개발된 이온펌프 컨트롤러의 경우, 진공도 측정 원리는 위의 설명과 동일하나, 진공도 측정 정밀도에서 문제점을 가지고 있다. 즉, 고 진공에서 저 진공으로 값이 변할 경우와 저 진공에서 고 진공으로 진공도가 변할 경우, 전류-진공도 그래프가 다른 경로를 가지는 문제(히스테리시스) 영향으로 인하여 정확한 진공도 측정이 불가능하다. 도 3에서 전류 대 진공도 그래프를 보였다.

진공도 측정에서 발생하는 히스테리시스, 즉 고 진공에서 저 진공으로 또는 저 진공에서 고 진공으로 진공도가 변할 경우, 동일한 전류 값에 대한 진공도는 다른 결과를 보인다. 이것을 해결하기 위해서는 시간에 따른 진공도 변화 추이를 계속 관찰하고, 이 관찰된 값을 이용하여 진공도를 결정해 주어야 한다.

매우 비싼 장비 중에서 가장 신뢰성이 높으며 가장 많이 사용되고 있는 장비와 동일한 성능을 구현하기 위해서 얻을 수 있는 실제적인 개발 자료는 없으나, 저가격의 8비트 마이크로 프로세서를 이용하여 동일한 성능의 이온펌프 컨트롤러를 구현할 수 있어야 한다는 필요성은 업계의 오래된 숙원 과제이다..

저가의 8비트 마이크로 프로세서를 이용하여 구현하는 경우, 진공도를 측정하는 부분과 결과를 출력하는 부분을 함께 포함할 경우, 다양한 정보의 디스플레이와 내부 파라메터 수정을 구현하기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 진공도의 전류값에 대한 히스테리시스 성향을 알아내기 위하여 라인피팅(line fitting) 방법을 이용하며, 기존에 존재하는 고가의 장비가 계산한 진공도를 본 발명을 통해 개발한 하드웨어의 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 결과와 함께 룩업 테이블(Look-Up Table) 형태로 저장하고, 그 값을 기반으로 고가 장비와 동일한 결과를 계산하여 구현하며, 부족한 마이크로 프로세서 사양을 보완하기 위하여 진공도 계산 부분과 디스플레이 부분을 분리하여 개발하며, 프로세서 간에 통신 방법을 이용하여 원하는 전체 시스템을 구현하도록 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러 및 이를 이용한 진공도 측정방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 마이크로 프로세서가 각각 내장된 채 서로 통신이 가능하도록 연결된 계산부와 디스플레이부로 구성되며,

상기 계산부는 진공도를 측정하고 고전압을 제어하기 위하여 상기 마이크로프로세서의 입력을 받아 진공용기에 연결된 고전압 발생기의 작동을 온/오프하는 고전압 스위치와;

상기 마이크로 프로세서와 연결되어 정밀도 높은 진공측정용 이온펌프 컨트롤러의 측정치의 디지털 값을 룩업테이블로 저장하는 메모리와;

상기 마이크로 프로세서와 연결되어 전류값을 입력받아 디지털 값으로 변환하는 변환부를 구비하고,

상기 디스플레이부는 상기 마이크로 프로세서와 연결되어 진공도값을 출력하는 장치와;

상기 마이크로 프로세서와 연결되어 파라메터의 수정값을 입력하도록 하는 키보드를 구비하도록 분리되어 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러이다.

한편, 본 발명의 방법은 고 진공에서 저 진공까지 상향 및 하향하면서 정밀도 높은 진공측정용 이온펌프 컨트롤러를 이용하여 미리 정해져 있는 구간별로 전류값과 진공도값을 구한 후, 디지털 값으로 변환하여 룩업테이블에 저장해두는 단계와;

실제 진공도 측정에 있어서, 다수(n)개의 전류값을 검출하여 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 변환단계와;

상기 값으로부터 직선의 식을 구하는 라인피팅 단계와;

상기 직선의 식의 기울기(a)에 의하여 진공의 변화 방향이 상향인지 불변인지 하향인지를 판별하는 단계와;

상기 진공변화의 방향에 따라 상향용, 불변용 또는 하향용 룩업데이블을 참조하여 그 전류값에 대한 진공도를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러를 이용한 진공도 측정방법이다.

그리고, 상기 방법에서 룩업테이블을 참조함에 있어서 구하고자 하는 진공도에 해당하는 전류값이 룩업테이블에 저장된 전류값의 중간영역에 해당하는 값인 경우에는 그 직전의 전류값(x1)과 그 직후의 전류값(x2)에 해당하는 진공도(y1 및 y2)의 변화를 선형적으로 가정하여 진공도를 산출하도록 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러를 이용한 진공도 측정방법이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 장치 및 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

< 라인피팅 (Line Fitting) >

도 3에 보인 것과 같은 히스테리시스 효과(전류 대 진공도 그래프에서 진공도가 고 진공에서 저 진공으로 또는 저 진공에서 고 진공으로 진행될 때, 방향에 따라서 진공도에 대응하는 전류값이 달라지는 현상)를 반영하기 위해서는 시간에 따른 진공도의 추이를 관찰하여야 한다. 본 발명에서 이온펌프 컨트롤러는 전류값을 읽어서 진공도를 계산하므로, 전류값의 추이를 관찰하여, 전류값이 커지고 있는지 줄어들고 있는지를 관찰하여 진공도를 계산하여야 한다.

이를 위하여 라인 피팅 (line fitting) 방법을 이용한다. 라인 피팅 방법은 도 4에 보인 바와 같이 시간에 따른 연속 데이터를 가장 잘 표현할 수 있는 하나의 직선의 식을 구하는 것이다. 직선의 식은 y = ax + b 와 같은 형식의 수식이며, a 와 b 는 직선의 기울기 및 절편값이다.

시간이 경과함에 따라 얻은 전류값은 도 4에서 보는 것처럼 시간 대 전류 그래프로 그릴 수 있으며, 일반적인 경우 측정되는 전류값은 오차를 포함하므로 그래프로 그려보면 깨끗한 직선 식에 해당하는 값을 가지지 않는다.

본 발명에서는 전류 값의 시간 추이를 결정하기 위하여 n개, 예컨대 8개의 값(도 4에서 (x₁, y₁), (x₂, y₂), ..., (x₈, y₈ ))을 이용한다. 이 8개 값들을 가장 잘 표현할 수 있는 직선의 식 계산은 다음과 같이 구한다.

구하고자 하는 직선의 식을 y = ax + b 라 하고, 각 데이터 위치에서 직선 식에 이르는 수직 거리를 l_k(k = 1 ~ 8) 라고 하면, 수직 거리 제곱의 총 합은

가 된다. 우리가 얻고자 하는 식 y = ax + b 의 두개의 변수 a와 b는 위에서 나타낸 S 값을 최소화할 수 있는 값으로 계산한다. 즉,

(a, b) = argmin(S)

위의 식을 만족할 수 있는 a 와 b 는 다음 식을 통해서 구할 수 있다.

시간의 경과에 따른 8개의 최근 데이터를 가지고 위의 식을 이용하여 직선의 식을 구하면 시간에 따른 전류값의 추이를 알 수 있다. 즉, a 값이 양수(+)이면 값은 증가하고 있는 것이며, 음수(-)이면 값은 감소한다고 볼 수 있다.

그러나 실제 데이터를 이용하는 경우에 측정값에 포함된 오차 성분을 줄여주기 위해서는 단순한 부호 비교만을 이용하면 또다른 오차를 유발하게 된다. 여기서 우리는 다음과 같은 규칙을 적용하였다.

1. 만약 a > 0.5 이면 값은 증가하는 것으로 판단한다.

2. 만약 a < -0.5 이면 값은 감소하는 것으로 판단한다.

3. 만약 -0.5 ≤ a ≤ 0.5 이면 값의 변화가 없는 것으로 판단한다.

최근 8개의 데이터를 이용하여 직선의 기울기를 구한 후, 위의 규칙을 적용하여 데이터의 증가 또는 감소를 계산 및 판별한 후, 도 3에서 나타내는 히스테리시스 영향을 효과적으로 반영하여 정밀한 진공도 측정을 할 수 있다.

< 룩업테이블 (Look-Up Table) >

기존에 존재하는 외국 고급 장비는 정밀도가 뛰어난 반면 매우 비싸며, 상대적으로 저 사양의 마이크로 프로세서를 기반으로 하는 개발 제품은 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 외국 제품 중 정밀도에서 가장 우수한 제품을 선정하여 진공도를 계산한 후, 그 값을 저장하며, 동시에 본 발명을 통해 개발된 제품이 측정한 아날로그-디지털 컨버터(ADC : Analog Digital Converter) 결과를 저장하여 진공도 정밀도를 최고 성능으로 향상시켰다.

도 6은 아날로그 값인 전류값을 읽어서 디지털 값으로 변환한 ADC 결과에 대응하는 진공도를 테이블로 나타낸 룩업테이블의 예를 보였다. 도 7은 ADC 측정값으로부터 진공도를 계산하는 방법을 그래프로 표현한 것이다.

도 6의 룩업테이블의 예를 이용하면 ADC 값이 2020 인 경우, 진공도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

x1 = 2001

x2 = 2034

y1 = 8.9E-08

y2 = 9.6E-08

도 5는 도 3의 진공 측정기를 상세하게 나타낸 그림이다. 전류값을 기반으로 먼저 히스테리시스 효과를 위에서 설명한 방법을 이용하여 제거한 후, ADC 결과를 저장하고, 동시에 외국 고가 고정밀 제품의 진공도를 저장한 룩업 테이블을 통해서 진공도를 계산한다.

< 측정부와 계산부의 분리 >

본 발명은 8비트 마이크로 프로세서를 기반으로 설계되었으며, 전류값을 기반으로 진공도를 계산하고, 그 결과를 액정 디스플레이 장치를 통하여 출력하여야 한다. 또한 이온펌프 컨트롤러는 진공 용기 내부에 고 전압을 걸어주는 스위치를 작동시켜야 하며, 직렬 통신을 통하여 컴퓨터로 진공도를 확인할 수 있어야 한다.

저가격의 8비트 마이크로 프로세서는 이 모든 작용을 동시에 수행하기에는 성능이 부족한 면이 있다. 따라서 본 발명에서는 저가격의 8비트 마이크로 프로세서를 두 개 사용하여 진공도 측정부분과 디스플레이 및 키 입력 부분을 분리시키고, 두 개의 프로세서 간에 통신을 통해 데이터를 교환할 수 있도록 하였다.

도 8에 두 개의 프로세서의 역할을 구분하여 전체 시스템 구성을 표시하였다. 진공 측정 프로세서는 ADC 값을 읽어서 히스테리시스 효과를 처리한 후, 룩업테이블을 읽어서 진공도를 계산한다. 디스플레이부의 프로세서는 진공도 계산값을 프로세서 간 통신을 통해 얻은 후, LCD에 출력하며, 키보드 입력을 통해 내부 파라메터를 변경할 수 있도록 하였다.

< 실시예 >

도 9에 본 발명의 장치의 실시예를 보였다. 첫번째 그림은 본 발명의 디스플레이 부분이며, 두번째 그림은 본 발명의 진공도 측정 계산 부분이다.

본 발명에 의하면, 진공 용기 내부에 고압을 걸어 흐르는 전류를 디지털 값으로 변환한 후, 시간에 따른 전류값의 변화를 계산하여 전류 대 진공도에서 발생하는 히스테리시스 효과에 대응할 수 있으며, 외국의 고가 고정밀 제품이 계산한 진공도를 본 발명에서 개발된 제품의 ADC와 함께 룩업테이블 형태로 저장한 후, 측정한 ADC 값을 이용하여 룩업테이블을 기반으로 진공도를 측정하도록 하여 고 정밀 측정을 가능하다.

또한, 진공도 계산을 위한 부분과 결과를 출력하고 내부 파라메터를 변환하기 위한 부분을 분리하여 하드웨어를 구성하여, 저가격의 8비트 마이크로 프로세서로 구현할 수 있도록 하였으므로 수입대체 효과 및 장비 저렴화, 유지보수의 편의성 증대의 효과가 있다.

도 1은 진공용기와 이온펌프 컨트롤러 연결 구성도,

도 2는 진공용기 내부의 진공 측정을 위한 용기 내 전극 배치 및 이온펌프 컨트롤러 구성도,

도 3은 전류값에 대한 진공도 관계를 그린 그래프,

도 4는 최근 8개의 데이터를 이용하여 직선의 식을 구하는 라인피팅(Line Fitting) 설명도,

도 5는 전류값을 읽어서 히스테리시스 효과를 계산한 후 진공도를 계산하는 흐름도,

도 6은 ADC 값에 대응하는 진공도를 나타낸 룩업테이블(Look-Up Table) 예시도,

도 7은 룩업테이블 데이터로부터 진공도를 계산하는 방법을 나타낸 그래프,

도 8은 진공도 측정 및 결과 디스플레이 부분으로 구분하여 설명한 진공 이온펌프 컨트롤러 구성도,

도 9는 본 발명의 실시예이다.

Claims (3)

1. 마이크로 프로세서가 각각 내장된 채 서로 통신이 가능하도록 연결된 계산부와 디스플레이부로 구성되며,

   상기 계산부는 진공도를 측정하고 고전압을 제어하기 위하여 상기 마이크로프로세서의 입력을 받아 진공용기에 연결된 고전압 발생기의 작동을 온/오프하는 고전압 스위치와;

   상기 마이크로 프로세서와 연결되어 진공측정용 이온펌프 컨트롤러의 측정치의 디지털 값을 룩업테이블로 저장하는 메모리와;

   상기 마이크로 프로세서와 연결되어 전류값을 입력받아 디지털 값으로 변환하는 변환부를 구비하고,

   상기 디스플레이부는 상기 마이크로 프로세서와 연결되어 진공도값을 출력하는 장치와;

   상기 마이크로 프로세서와 연결되어 파라메터의 수정값을 입력하도록 하는 키보드를 구비하도록 분리되어 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러.
2. 고 진공에서 저 진공까지 상향 및 하향하면서 진공측정용 이온펌프 컨트롤러를 이용하여 미리 정해져 있는 구간별로 전류값과 진공도값을 구한 후, 디지털 값으로 변환하여 룩업테이블에 저장해두는 단계와;

   실제 진공도 측정에 있어서, 다수(n)개의 전류값을 검출하여 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 변환단계와;

   상기 값으로부터 직선의 식을 구하는 라인피팅 단계와;

   상기 직선의 식의 기울기(a)에 의하여 진공의 변화 방향이 상향인지 불변인지 하향인지를 판별하는 단계와;

   상기 진공변화의 방향에 따라 상향용, 불변용 또는 하향용 룩업데이블을 참조하여 그 전류값에 대한 진공도를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러를 이용한 진공도 측정방법.
3. 제2항에 있어서, 룩업테이블을 참조함에 있어서 구하고자 하는 진공도에 해당하는 전류값이 룩업테이블에 저장된 전류값의 중간영역에 해당하는 값인 경우에는 그 직전의 전류값(x1)과 그 직후의 전류값(x2)에 해당하는 진공도(y1 및 y2)의 변화를 선형적으로 가정하여 진공도를 산출하도록 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어 기반 진공 이온펌프 컨트롤러를 이용한 진공도 측정방법.