KR100518104B1 - 공기질 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저항(Rs: 17)이 신호처리 시스템(13)의 부품으로서 출력신호(14)로 변환되는 공기질 측정장치에 관한 것으로서, 이 출력신호는 저항(Rs: 17)에 따른 주기(T, T1, T2, T3)를 갖는다.

Description

공기질 측정장치{Air quality measuring device}

본 발명은 공기질 측정장치(air quality measuring device)에 관한 것이다. 관련분야에서는 아날로그신호가 전압제어 발진기(VCO)를 제어한다. 전압제어 발진기는 디지털 신호를 제공하며, 디지털 신호의 주파수는 아날로그 신호 전압의 척도가 된다.

본 발명은 공기질 센서용의 간단한 무장애 신호 처리 시스템을 실현하는 공기질 측정장치를 제공하고자 하는 것입니다. 상기 목적은 독립항에 주어진 특징을 통하여 달성될 수 있다.

도 1은 블록회로도.

도 2는 회로 구성의 실시예를 도시한 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 장치의 가능한 출력신호파형을 도시한 도면.

본 발명에 따른 공기질 측정장치의 실시예에서, 센서저항이 공기질에 의존하는 센서가 제공된다. 이 센서저항은 신호처리 시스템의 일부이고, 이 시스템은 센서저항을 이 센서저항에 관련된 주기(T)를 갖는 출력신호로 변환한다. 따라서, 출력신호의 주기(T)는 센서저항의 척도이다. 이 주파수 결정된 출력신호는 진폭이 유효정보를 포함하는 아날로그 신호의 경우보다 수신된 간섭 또는 도체 결합된 간섭에 대하여 덜 민감하다. 또한 온도 영향에 기인한 간섭이 감소될 수 있다. 시간- 및 주파수 의존 출력신호는 소수의 마이크로-콘트롤러에 의해 아날로그 전압보다 높은 분해도로 검출될 수 있다. 출력신호로서 가변주기를 갖는 2진 신호가 이용된다면, 디지털 기술을 이용한 간단한 신호처리가 가능하다. 이로써 고가의 아날로그 부품을 사용하지 않을 수 있다.

종속항에 기재한 수단들을 통하여 바람직한 개선이 가능하다. 신호처리를 위해 전압/시간- 또는 전압/주파수-변환기가 사용될 수 있다. 전압제어 발진기로 공지된 상기 회로는 표준-IC로서 시판된다.

바람직한 개선예에서는 전압/시간-변환기로서 RC-소자 및 비교기(21)로 구성된 비안정 플립플롭회로가 사용된다. 이러한 실시예에 따라, 비교기의 반전 입력과 기준 전위사이에는 콘덴서(C)가 접속되고, 제 1 저항(R)은 비교기의 출력에 접속된다. 비교기의 비반전 입력과 기준 전위사이에는 센서저항(Rs)이 접속되며, 제 2 저항(R2)이 비교기의 출력에 접속된다. 비교기의 출력에서는 출력신호가 인출된다. 이러한 결선을 통하여, 출력신호의 주기(T)는 센서저항에 대수적으로 의존한다. 대수 곡선의 주기(T)는 마찬가지로 대수적이거나 지수적인 공기질 센서의 센서저항/공기질-특성곡선에 대응한다. 이로써 수 십년에 걸쳐서도 일정한 감도가 유지된다. 따라서, 일정 감도를 제공하는 아날로그-로그 모듈이 필요없게 된다. 가변 주기(T)를 갖는 출력신호는 아날로그-로그 모듈의 출력신호에 비해 간섭에 덜 민감하다.

바람직하게는 본 발명은 차량의 공기질 측정장치에 사용된다. 공기질에 따라서 환기 시스템이 조절된다.

이하, 본 발명을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

공기질(10)은 센서(11)에 의해 측정신호(12)로 변환된다. 신호처리 시스템 (13)은 이 측정신호(12)를 출력신호(14)로 변환한다.

실시예에 따라서, 신호처리 시스템(13)은 비교기(21)로 구성되며, 이 비교기의 비반전 입력과 기준 전위사이에는 센서저항(Rs: 17)이 접속되고, 제 2 저항(R2: 19)이 비교기(21)의 출력에 접속된다. 비교기(21)의 반전 입력과 기준 전위사이에는 콘덴서(C: 18)가 접속되고, 제 1 저항(R1: 20)이 비교기(21)의 출력에 접속된다. 비교기(21)의 출력에서는 기준 전위에 대해 출력신호(14)가 인출된다.

도 3a는 시간에 대한 출력신호(14)의 파형을 나타내는데, 상기 출력신호는 지수적 증가와 감소를 특징으로 하며, 이것은 제 1 주기(T1)로 반복된다. 도 3b에 도시한 2진 출력신호(14)는 제 2 주기(T2)로 반복된다. 상기 제 2 주기(T2)내에서 2진 출력신호(14)는 제 3 주기(T3)동안에 전압(U)에 해당하는 로그값 1을 갖는다.

공기질 측정장치는 다음과 같은 기능을 한다: 센서(11)는 공기질(10)을 결정해야 한다. 공기질(10)이라 함은 예를 들어 일산화탄소나 산화질소의 농도와 같은 공기 조성을 의미한다. 센서(11)의 센서저항(Rs: 17)은 유해물질의 농도에 따라서 변화된다. 일반적으로 사용되는 CO- 및 NOx-센서들은 지수적 저항/농도 특성(exponential resistance/concentration characteristic)을 갖는다. 센서(11)로서 저항 센서가 사용될 수도 있다. 이러한 모든 센서(11)들은 측정신호(12)로서 공기질(10)에 따른 센서저항(Rs: 17)을 제공한다. 상기 특성이 그 지수적 변동으로 인해 수 십년에 걸쳐 상당히 큰 값의 범위를 갖기 때문에, 대수적 해석이 일정한 감도를 얻는데 바람직하다.

공기질에 따라서, 예를 들어 차량의 환기 시스템이 제어된다. 예를 들어 차량이 터널을 통과할 때 나타는 바와 같은 높은 유해물질 농도는 송풍기를 끄거나 및/또는 통풍밸브를 폐쇄한다.

신호처리 시스템(13)은 측정신호(12)를 가변 주기(T, T1, T2, T3)를 가진 출력신호(14)로 변환시킨다. 신호처리 시스템(13)으로서는, 예를 들어 전압/시간- 또는 전압/주파수-변환기가 사용될 수 있다. 이 변환기의 입력 전압으로서는, 예를 들어 센서저항(Rs: 17)에서 인출되는 전압을 사용하며, 이 전압은 센서저항(Rs: 17)에 비례한다. 결과적으로 아날로그-디지털-변환이 이루어진다.

측정하고자 하는 전압은 펄스폭-변환기에 의해 톱니파 전압과 비교된다. 또한 아날로그 전압을 시간에 따라 나타내는 데는 이중 경사-아날로그-디지털-변환기가 적합하다. 전압/주파수-변환기는 입력값으로서 변환하고자 하는 전압을 받으며 구형파 펄스열을 출력한다. 상기 펄스의 주파수는 인가된 전압에 비례한다. 전압-주파수-변환은 또한 전하 평형 방법(charge balance method)에 따라 이루어질 수 있다. 이러한 공지된 방법에서 전압-주파수-특성 곡선은 직선이다.

도 2에 따른 RC-소자 및 비교기로 구성된 비안정 플립플롭 회로는 멀티바이브레이터나 이완 발진기로도 공지되어 있다. 센서저항(Rs: 17)은 이 회로에서 주파수를 결정한다. 도 2에 도시한 플립플롭 회로의 접속 시점에서 콘덴서의 전압은 0이다. 비교기(21)는 도 3b에서 볼 수 있는 바와 같이 출력신호(14)로서 포지티브 전압(U)을 제공한다. 이 전압은 제 1 저항(R1: 20)을 통해서 캐패시터(C: 18)를 충전한다. 센서저항(Rs: 17)상의 강하 전압(falling voltage)의 형태인 동작점은 센서저항(Rs: 17)과 제 2 저항(R2: 19)으로 구성된 분압기와 출력신호(14)에 의해 결정된다. 콘덴서(C: 18)의 전압이 이 동작점에 도달하면, 비교기(21)는 플립되며 출력전압(-U)을 공급한다. 콘덴서(C: 18)의 충전전류는 반대방향으로 흐른다. 콘덴서(C: 18)는 제 1 동작점의 네가티브 값을 갖는 제 2 동작점에 도달할 때까지 방전된다. 비교기(21)의 출력신호(14)가 다시 극성을 바꾸고 포지티브 전압(U)이 출력된다. 상기 과정이 반복된다.

콘덴서(C: 18)의 지수적 충전- 및 방전 곡선에 의하여 주기(T, T1, T2, T3)는 다음 수학식 1과 같이 계산된다.

여기서 비율(2Rs/R2)이 1보다 훨씬 크다면, 수학식 1은 다음과 같이 간소화된다.

주기(T)와 센서저항(Rs: 17)의 이러한 로그관계는 도 2에 따른 회로구성에 기초한다. 이러한 회로구성에서 도 3b에 따른 출력신호(14)가 실현된다. 여기에 도시한 제 2 주기(T2)는 수학식 1과 2의 주기(T)와 일치한다. 주기(T)와 센서저항(Rs: 17) 사이의 로그관계는 서두에서 설명한 센서(11)의 특성에 맞춰진다. 이를 통하여 특히 수십년에 걸쳐 일정한 감도가 얻어진다.

공기질 측정장치는 도 2에 도시한 회로 실시예에 국한되지 않는다. 그러므로 도 3에 도시한 것 이외의 다른 출력신호파형(14)이 고려될 수 있다. 센서저항(Rs: 17)은, 예를 들어 제 1 주기(T1)를 가진 출력신호(14)로 변환될 수 있으며, 이것은 제 1 주기(T1)내에서 지수적으로 상승한 다음 다시 강하한다. 제 1 주기(T1)후에 이 지수적 상승 및 강하가 반복된다. 도 3b와 일치하게 센서저항(Rs: 17)이 주기(T, T1, T2, T3)로 변환될 수 있으며, 기본주기를 나타내는 제 2 주기(T2)가 일정할 때, 제 3 주기(T3)가 변화된다. 이것은 펄스 듀티팩터에 대한 영향에 따른다. 또한, 기본주기(T2)를 변화시키고 T3을 통해 펄스 듀티팩터를 변화시킬 수 있다. 이를 위하여 적합한 변조 방법이 사용된다.

센서저항(Rs: 17)에 따르는 주기(T, T1, T2, T3)를 결정하기 위해서, 표준 소자가 이용될 수 있다. 디지털 검출에 부가해서 아날로그 전압으로의 변환도 가능하다. 몇몇 마이크로 콘트롤러는 아날로그 전압이 예를 들어 8비트 분해도로 측정되고 시간은 16비트 분해도로 측정되는 것을 특징으로 한다.

도 2에 따른 회로구성에서 공통 기준 전위는 접지이다. 그렇지만, 이것은 반드시 필요한 것은 아니다. 예컨대, 센서저항(Rs:17)과 콘덴서(C:18)가 공통 기준 전위로 되지만, 출력신호(14)는 비교기(21)에 공급되는 전위와 일치하는 제 2 기준 전위에 반하여 인출될 수 있다. 이로 인해, 의도한 바대로 신호 조절이 이루어질 수 있다.

Claims (9)

1. 적어도 하나의 센서(11)를 갖는 공기질 측정 장치(air quality measuring device)로서, 상기 센서의 저항(Rs:17)이 공기질(10)에 의존하고, 상기 센서는 RC-소자(18, 20)와 비교기(21)를 포함하는 비안정 플립플롭 회로내에 배치되는, 상기 공기질 측정 장치에 있어서:

   상기 비교기(21)의 반전 입력은 상기 RC-소자(18, 20)의 제 1 저항(R1:20)을 통해 상기 비교기(21)의 출력에 접속되고, 상기 비교기(21)의 출력에서 출력 신호(14)가 인출되며;

   상기 비교기(21)의 비반전 입력은 제 2 저항(R2:19)을 통해 상기 비교기(21)의 출력에 접속되고;

   상기 RC-소자(18, 20)의 콘덴서(18)는 기준 전위와 상기 비교기(21)의 반전 입력사이에 접속되고;

   상기 센서(11)는 기준 전위와 상기 비교기(21)의 비반전 입력사이에 접속되고;

   상기 출력신호(14)의 주기들(T1, T2, T3)은 상기 센서(11)의 저항(Rs:17)으로부터 대수 방식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 공기질 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 저항(R2:19)은 상기 센서(11)의 저항(Rs:17) 보다 훨씬 작은 것을 특징으로 하는 공기질 측정장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서(11)의 저항(Rs:17)은 저항성 저항(resistive resistance)인 것을 특징으로 하는 공기질 측정장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 출력신호(14)에 따라 차량의 환기가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 공기질 측정장치.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 출력신호(14)에 따라 차량의 환기가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 공기질 측정장치.
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