KR100831589B1 - Method for extracting property of gas sensor output, and device and method for measuring gas density using it - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서의 출력 특성을 추출하기 위한, 가스센서의 출력 특성데이터 측정시스템의 구성도.1 is a block diagram of a system for measuring output characteristic data of a gas sensor for extracting output characteristics of a gas sensor according to a first embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서의 내부저항과 출력전압의 상관 관계를 도시하기 위한 전기회로의 간략 구성도.2 is a simplified configuration diagram of an electric circuit for showing a correlation between an internal resistance and an output voltage of a gas sensor according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서의 출력 특성 추출방법을 도시한 순서도.3 is a flowchart illustrating a method of extracting output characteristics of a gas sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 최대전압변동율과 출력전압 변동율과 출력전압의 상호 관계를 도시하는 그래프.4 is a graph showing a correlation between the maximum voltage change rate, the output voltage change rate, and the output voltage of the present invention;
도 5는 본 발명에 의한 최대전압변동율를 획득하기 위한 일예를 나타내는 그래프.5 is a graph showing an example for obtaining the maximum voltage change rate according to the present invention.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서 출력 특성데이터의 검증을 위한 그래프.6 is a graph for verifying the gas sensor output characteristic data according to the first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스농도 측정장치의 블록 구성도.7 is a block diagram of a gas concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스농도 측정방법을 도시한 순서도.8 is a flowchart illustrating a gas concentration measuring method according to the first embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스센서의 최대전압변동율 데이터 획득방법을 도시한 순서도.9 is a flowchart illustrating a method of obtaining a maximum voltage change rate data of a gas sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스농도 측정방법을 도시한 순서도.10 is a flowchart illustrating a gas concentration measuring method according to a second embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 : 가스센서부 11 : 가스센서10
12 : 가스챔버 20 : 센서연결도선12: gas chamber 20: sensor connection lead
30 : 부하저항 측정부 31 : 부하저항(RL)30: load resistance measuring unit 31: load resistance (R L )
32 : 출력전압(VL) 40 : A/D변환부32: Output voltage (V L ) 40: A / D converter
100 : 가스센서 특성데이터 측정장치100: gas sensor characteristic data measuring device
110 : 측정데이터 수집부 120 : 데이터 처리부110: measurement data collection unit 120: data processing unit
130 : 산출데이터 출력부 140 : 데이터 저장부130: calculated data output unit 140: data storage unit
150 : 키조작부150: key operation unit
200 : 가스농도 측정장치 220 : 가스농도 산출 제어부200: gas concentration measuring device 220: gas concentration calculation control unit
230 : 표시부 240 : 메모리230: display unit 240: memory
250 : 키입력부250: key input unit
본 발명은, 가스센서(11)의 출력 특성 중에서 최대 출력전압 변동율을 나타내는 최대전압변동율(S)을 측정하여, 상기 가스센서(11)의 출력 특성을 명확하게 추출하는 가스센서의 출력 특성 추출방법과; 가스센서(11)의 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 색출된 최대전압변동율(S)로부터 가스농도를 산출하여 그 결과값을 출력하는 가스농도 측정장치 및 그 방법;에 관한 것이다.According to the present invention, an output characteristic extraction method of a gas sensor for clearly extracting an output characteristic of the
현대사회에서는 지속적인 산업화와 도시화로 인하여 환경오염원이 증대됨에 따라, 환경기술에 대한 꾸준한 연구와 환경산업시장에 대한 지속적인 투자가 이루어지고 있다. 이러한 상황에서, 환경오염원인 유해가스를 사전에 감지하고 예방하기 위한 다양한 반도체형 가스센서가, 여러 인자에 대응하도록 개선되어 왔다. 그와 더불어 개발된 가스센서에 대한 성능 평가 방법과 감지된 출력신호 데이터로부터 가스의 농도(C)를 추정할 수 있는 방법도 제시되어 왔다.In modern society, as environmental pollution sources are increased due to continuous industrialization and urbanization, continuous research on environmental technology and continuous investment in environmental industry market are being made. In this situation, various semiconductor gas sensors have been improved to cope with various factors in order to detect and prevent harmful gases which are environmental pollution sources in advance. In addition, a performance evaluation method for the developed gas sensor and a method for estimating the gas concentration (C) from the sensed output signal data have been presented.
통상적으로 사용되는 반도체식 가스센서의 성능 평가는, 가스센서에 가스가 주입되기 전의 출력값인 전압(Vair) 또는 저항(Rair)과 가스가 주입된 후의 출력 전압(Vgas), 저항(Rgas) 또는 저항변화(Rx)의 비례산식으로서, 하기의 관계식으로 이루어진다.The performance evaluation of a semiconductor gas sensor that is commonly used includes a voltage (V air ) or a resistance (R air ), which is an output value before gas is injected into the gas sensor, and an output voltage (V gas ) and a resistance (R gas ) after the gas is injected. gas ) or a proportional equation of resistance change (R x ), which consists of the following relationship.
[수학식 1][Equation 1]
또는 또는 또는 or or or
[수학식 2][Equation 2]
또는 또는 또는 or or or
[수학식 3][Equation 3]
또는 또는 or or
하지만, 종래의 상기 평가 방법은, 가스센서에 가스가 주입되기 전의 출력값(Vair, Rair)과 가스가 주입된 후의 출력값(Vgas, Rgas, Rx)의 단순한 비례식으로 가스센서의 성능을 평가하므로, 일반적으로 측정환경에 따라 변하게 되는 초기 출력 값으로 인하여 객관적으로 가스센서의 성능을 평가할 수 없었다. 또한, 가스센서의 제조 과정에서, 모든 가스센서가 일정한 저항값을 갖지 못함에 따라서, 가스센서마다 출력 특성이 다르게 나타나는 문제점이 있었다. 즉, 가스 주입 전·후의 출력값 비례식이 다양한 값으로 표출되어 통일된 성능 평가 방법을 적용할 수 없었다. 또한, 측정가스를 일정한 주기로 반복하여 주입하였을 경우에 가스센서의 출력값은 매 순간 다르게 표출되므로, 가스센서의 주요 필요조건인 감도 재현성이 현저히 감소하는 문제점이 있었다.However, the conventional evaluation method, the performance of the gas sensor by a simple proportional expression of the output value (V air , R air ) before the gas is injected into the gas sensor and the output value (V gas , R gas , R x ) after the gas is injected. In general, it was not possible to objectively evaluate the performance of the gas sensor due to the initial output value which is generally changed according to the measurement environment. In addition, in the manufacturing process of the gas sensor, as all gas sensors do not have a constant resistance value, there was a problem that the output characteristics are different for each gas sensor. That is, the output value proportional expressions before and after gas injection were expressed with various values, and thus a unified performance evaluation method could not be applied. In addition, when the measurement gas is repeatedly injected at regular intervals, the output value of the gas sensor is expressed differently every moment, and thus there is a problem that the sensitivity reproducibility, which is a main requirement of the gas sensor, is significantly reduced.
반도체식 가스센서의 출력 특성은, 가스센서의 초기 저항값(RS)과 주입된 가스 농도(C)를 주요 인자로 하여 결정되지만, 종래의 방법에서는 출력 특성을 상기 주요 인자(RS, C)로서 명확하게 설명하지 못하였다. 상기 초기 저항값(RS)은 제조단계에서 알 수 있는 값이므로, 가스센서의 전기적인 출력신호를 해석함으로서 주입 된 가스 농도(C)를 추정할 수 있음에도, 출력 특성에 대한 명확한 정의가 없어 가스 농도(C)를 추정하는 데도 많은 어려움이 발생하였다.The output characteristics of the semiconductor gas sensor are determined based on the initial resistance value R S of the gas sensor and the injected gas concentration C as main factors. However, in the conventional method, the output characteristics are the main factors R S , C. Not as clear. Since the initial resistance value R S is a value known at the manufacturing stage, the gas concentration C may be estimated by analyzing the electrical output signal of the gas sensor, but there is no clear definition of the output characteristic. Many difficulties occurred in estimating concentration (C).
따라서 본 발명의 목적은, 가스센서의 내부저항(RS)과 주입된 가스 농도(C)를 주요 인자로 하여 정의되는 가스센서의 출력 특성을, 가스센서의 출력신호에서 획득하는 가스센서의 출력 특성 추출방법을 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention, the output of the gas sensor to obtain the output characteristics of the gas sensor, which is defined by the internal resistance (R S ) of the gas sensor and the injected gas concentration (C) as the main factor, the output signal of the gas sensor It is to provide a feature extraction method.
본 발명의 다른 목적은, 상기 정의된 가스센서 출력 특성관계를 이용하여, 가스농도를 정밀하게 측정할 수 있는 가스농도 측정장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gas concentration measuring apparatus and a method for accurately measuring gas concentration using the gas sensor output characteristic relationship defined above.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,The present invention to achieve the above object,
다수의 가스센서(11)에 대한 각각의 내부저항값(RS)을 측정하고, 상기 다수의 가스센서(11)에 연결되는 부하저항(31)값을 지정하는 단계와; 서로 다른 농도(C1~CN)를 갖는 측정용 표준가스를 순차적으로 주입하며, 각 가스센서(11)별로 측정되는 출력전압(32)의 변동율을 표준가스별로 일정 시간동안 산출하고, 일정 시간동안 산출된 변동율 중에서 최대값을 나타내는 표준가스별 최대전압변동율(S1~SN)을 각 가스센서(11)별로 색출하는 단계와; 색출된 가스센서(11)별 최대전압변동 율(S1~SN)과 측정된 가스센서(11)별 내부저항값(RS)과 표준가스의 농도(C1~CN)를 이용하여, 가스농도(C)와 가스센서(11) 내부저항값(RS)으로 표출되는 최대전압변동율(S)의 특성관계식을 정의하는 단계;를 포함하는 가스센서의 출력 특성 추출과정과,Measuring respective internal resistance values (R S ) for the plurality of gas sensors (11), and designating load resistance (31) values connected to the plurality of gas sensors (11); Standard gas for measuring having different concentrations (C 1 ~ C N ) is sequentially injected, and the rate of change of the
하나의 가스센서(11)를 구비하여 구성되는 가스농도 측정장치(200)에 있어서, 측정하고자 하는 가스를 주입하는 단계와; 가스센서(11)에 의해 변하는 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)을 소정의 시간 동안 측정하는 단계와; 상기 출력전압(32)의 전압변동율을 상기 소정의 시간 동안 산출하는 단계와; 상기 소정의 시간 동안 산출된 전압변동율 중에서 최대값을 나타내는 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계와; 상기 가스센서의 특성데이터 획득과정에서 정의된 특성관계식에서 농도(C)를 산출하는 단계와; 산출된 상기 가스농도(C)를 출력하는 단계;를 포함하는 가스농도 측정과정으로 이루어진다.A gas concentration measuring apparatus (200) comprising one gas sensor (11), comprising: injecting a gas to be measured; Measuring the
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 및 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described to be easily carried out by those of ordinary skill in the art. In the accompanying drawings, it should be noted that the same reference numerals as shown in the configuration and action, the same reference numerals are used as much as possible when indicating the same configuration or action in the other drawings. In addition, in describing the present invention below, when it is determined that a detailed description of a related known function or known configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서(11)의 출력 특성관계를 획득하기 위한, 가스센서의 출력 특성데이터 측정시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a system for measuring output characteristic data of a gas sensor for obtaining an output characteristic relationship of a
도 1을 참조한 가스센서(11)의 출력 특성데이터 측정시스템은, 가스를 감지하기 위해서 가스를 임시 담아두는 가스챔버(12)와, 상기 가스챔버(12)에 가스를 주입하는 가스주입장치와, 상기 가스챔버(12)에 설치되는 다수의 반도체식 가스센서(11)를 포함하여 구성되는 가스센서부(10)와; 상기 가스센서(11)들에서 인출되어 외부로 연결되는 센서연결도선(20)과; 상기 센서연결도선(20)을 통하여 전달되는 상기 가스센서(11)의 신호를 해독 및 산출하여 상기 가스센서의 특성데이터를 측정하는 가스센서 특성데이터 측정장치(100)로 구성된다.The output characteristic data measuring system of the
상기 가스센서 특성데이터 측정장치(100)는, 상기 센서연결도선(20)을 통하여 상기 가스센서(11)들 내부저항(RS)에 직렬로 연결되는 부하저항(31)을 구비하고, 상기 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)를 측정하는 부하저항 측정부(30)와; 측정된 아날로그 출력전압(32) 신호를 샘플링하여 디지털 출력전압(32) 데이터로 변환하는 A/D변환부(40)와; 상기 출력전압(32) 데이터를 가스가 주입되는 주기 동안 수집하는 측정데이터 수집부(110)와; 수집이 완료된 출력전압(32) 데이터에서 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)를 색출하고, 색출된 최대전압변동율(S)과 주입된 가스농도(C)와 가스센서 내 부저항(RS)의 상관 관계로 형성되는 출력관계식을 완성하기 위한 특성상수(a, b, d)를 획득하는 데이터 처리부(120)와; 상기 출력전압(32) 데이터와 출력전압 변동율과 최대전압변동율(S)과 특성상수(a, b, d) 등을 출력하는 산출데이터 출력부(130)와; 상기 부하저항(31)의 지정과 출력관계식의 특성상수(a, b, d)를 획득하는 과정에서 제어 입력신호를 입력하기 위한 키조작부(150)와; 상기 출력전압(32) 데이터와 부하저항(31)과 특성상수(a, b, d)를 저장하는 상기 데이터 저장부(140)와; 특성데이터 측정장치(100)의 전원을 공급하는 전원공급부(160);를 포함하여 구성된다.The gas sensor characteristic
도 2는 도 1의 시스템 구성에서, 가스센서(11) 내부저항(RS)과 출력전압(32)의 상관 관계를 도시하기 위한 전기회로의 간략 구성도이다.FIG. 2 is a simplified configuration diagram of an electric circuit for showing a correlation between the internal resistance R S of the gas sensor 11 and the
도 2를 참조하면, 전원공급부(160)의 +전원(1) 및 -전원(2)에는, 가스센서부(10)의 가스챔버(12)에 설치되는 가스센서(11)와 부하저항 측정부(30)에 설치되는 부하저항(RL, 31)이 직렬로 연결되고, 상기 부하저항 측정부(30)에서 상기 부하저항(RL, 31) 양단의 출력전압(VL, 32)이 측정되어 A/D변환부(40)로 전달된다. 상기 가스센서(11)는, 가스가 주입되기 전의 저항값인 고유의 내부저항값(RS)를 갖는다.Referring to FIG. 2, a
상기 도 1과 도 2에 있어서, 상기 데이터 처리부(120)에서 적용되는 가스센서의 특성관계식은 다음과 같다.1 and 2, the characteristic relational expression of the gas sensor applied in the
[수학식 4][Equation 4]
상기 특성관계식에, a, b 및 d는 특성상수, S는 최대전압변동율, C는 가스의 농도, RS는 가스센서(11) 내부저항값을 나타낸다.In the above characteristic relation, a, b and d are characteristic constants, S is the maximum voltage variation rate, C is the concentration of gas, and R S is the internal resistance of the
상기 수학식 4를 참조하면, 상기 특성상수(a, b, d)는, 측정되어 알고 있는 가스센서 내부저항값(RS)과 표준가스로서 그 농도를 알고 있는 가스농도(C)를 입력신호로 하고, 출력전압(VL, 32) 데이터에서 산출 및 색출되는 최대전전압변동율(S)을 출력신호로 하여 결정된다. 따라서, 다수의 가스센서 내부저항값(RS) 데이터와, 각각의 상기 가스센서 내부저항값(RS)에 대응하는 다수의 가스농도(C) 데이터와, 상기 가스센서 내부저항값(RS)과 가스농도(C)의 조합으로 이루어지는 최대전압변동율(S) 데이터가 있어야만, 상기 특성상수(a, b, d)가 결정된다. 바람직하게, 가스챔버(12)에 서로 다른 내부저항값(RS)를 갖는 다수의 가스센서(11)를 설치하고, 서로 다른 농도를 갖는 가스를 순차적으로 상기 가스챔버(12)에 주입하여, 최대전압변동율(S) 데이터를 얻을 수 있다.Referring to Equation 4, the characteristic constant (a, b, d) is the input signal of the gas sensor internal resistance value (R S ), which is measured and known, and the gas concentration (C), which knows its concentration as a standard gas. The maximum voltage fluctuation rate S calculated and extracted from the output voltage (V L , 32) data is determined as an output signal. Accordingly, a plurality of gas sensor internal resistance values R S , a plurality of gas concentration data C corresponding to each of the gas sensor internal resistance values R S , and the gas sensor internal resistance values R S. The characteristic constants (a, b, d) are determined only if there is data of the maximum voltage variation (S) consisting of the combination of the? And the gas concentration C. Preferably, a plurality of
상기 가스센서부(10)에 포함되는 가스챔버(12)와 가스주입장치는, 일반적으로 사용되는 회분식(batch-type)반응기 또는 연속식(continuous-type)반응기 등으 로 구현될 수 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 가스주입장치와 가스센서와, 가스센서(11)의 히터부는 공지된 기술임으로 본 설명에서는 생략한다.Since the
도 3은 도 1의 시스템을 이용한, 가스센서(11)의 출력 특성 추출방법을 도시한 순서도이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of extracting output characteristics of the
도 3에 따른 가스센서(11)의 출력 특성 추출방법은,The output characteristic extraction method of the
다수의 가스센서(11)에 대한 각각의 내부저항값(RS)을 측정하여 저장하는 단계(S111)와; 가스센서(11)의 출력 특성을 얻기 위해 사용될 N개의 표준가스 농도값(C1~CN)을 선택하고 일련번호(n)에 따라 주입 순서를 정하여 저장하고, 사용될 M개의 부하저항값(RL1~RLM)을 선택하고 일련번호(n)에 따라 지정할 순서를 정하여 저장하는 단계(S112);로 이루어지는 가스센서 주요인자 지정단계(S110);Measuring and storing respective internal resistance values R S of the plurality of
저항값(RL1~RLM)의 부하저항을 순차적으로 적용하기 위한 초기화 지정단계(S120); An initialization specifying step S120 for sequentially applying load resistances of the resistance values R L1 to R LM ;
m번째 부하저항(RLm)을 지정하는 단계(S130);designating an m th load resistance R Lm (S130);
농도값(C1~CN)을 갖는 표준가스를 순차적으로 적용하기 위한 초기화 지정단계(S141)와; n번째 표준가스를 가스챔버(12)에 주입하는 단계(S142)와; 각 가스센서(11)별 출력전압(32)을 측정하여 디지털 데이터로 변환하고 저장하는 과정을, 주입된 표준가스에 대해 충분한 출력특성을 얻도록 가스센서(11)의 반응 시간을 감안 하여 결정되는 시간 동안 반복하는 단계(S143)와; 각 가스센서(11)별로 상기 시간 동안의 출력전압(32) 변동율을 산출하는 단계(S144)와; 산출된 출력전압(32) 변동율 중에서 최대값을 나타내는 표준가스별 최대전압변동율(Sn)을 색출하고, 각 가스센서(11)별로 색출된 상기 최대전압변동율(Sn)을 저장하는 단계(S145)와; 주입된 n번째 표준가스가 마지막번째(N)가 아니면 다음 표준가스를 주입하는 상기 (S142)단계를 반복하고, 준비된 모든 표준가스에 대한 최대전압변동율(S1~SN)를 색출하였으면, 다음 단계로 넘어가는 단계(S146, S147);를 포함하여 이루어지는 최대전압변동율(S1~SN) 획득단계(S140);An initialization designation step S141 for sequentially applying a standard gas having a concentration value C 1 to C N ; injecting the n-th standard gas into the gas chamber 12 (S142); The process of converting and storing the
지정된 m번째 부하저항(RLm)이 마지막번째(M)가 아니면 다음 부하저항(RLm +1)을 지정하여 최대전압변동율(S1~SN) 획득단계(S140)를 실행하고, 지정된 m번째 부하저항(RLm)이 마지막번째(M)이면 다음 단계로 넘어가는 단계(S150, S151);If the specified mth load resistance (R Lm ) is not the last (M), the next load resistance (R Lm +1 ) is designated to execute the maximum voltage variation ratio (S 1 to S N ) acquisition step (S140), and the specified m If the first load resistance (R Lm ) is the last (M), the process proceeds to the next step (S150, S151);
부하저항(RL1~RLM)별 및 표준가스의 농도(C1~CN)별로 획득된 가스센서(11)별 최대전압변동율(S1~SN)과, 가스센서(11)별 내부저항값(RS)을 데이터 테이블로 완성하여 정리하는 단계(S160);Maximum voltage fluctuation rate (S 1 ~ S N ) for each gas sensor (11) obtained by load resistance (R L1 ~ R LM ) and concentration of standard gas (C 1 ~ C N ), and internal by gas sensor (11) Completing and arranging the resistance value R S into a data table (S160);
부하저항(RL1~RLM)별로 정리된 가스농도(C1~CN)와, 가스센서 내부저항값(RS)들과, 상기 가스농도(C1~CN) 및 가스센서 내부저항값(RS)에 대응되는 최대전압변동 율(S1~SN)를 이용하여, 가스농도(C)와 가스센서(11) 내부저항값(RS)으로 표출되는 최대전압변동율(S)의 특성관계식(수학식 4)에서, 부하저항(RL1~RLM)별 특성상수(a, b, d)를 획득하는 단계(S170);Gas concentration (C 1 ~ C N ) arranged by load resistance (R L1 ~ R LM ), gas sensor internal resistance value (R S ), gas concentration (C 1 ~ C N ) and gas sensor internal resistance value (R S) the maximum voltage change rate, using an (S 1 ~ S N), the maximum voltage change value (S) is expressed as the gas concentration (C) and the
상기 (S160)단계의 데이터 테이블과 상기 (S170)단계의 부하저항(RL1~RLM)별 특성상수(a, b, d)를 이용하여, 가스센서의 출력특성으로 정의하고, 성능을 평가하고, 가스농도 측정장치로 활용하는 단계(S180);를 포함하여 이루어진다. Using the data table of the step (S160) and the characteristic constants (a, b, d) of each of the load resistances (R L1 to R LM ) of the step (S170), it is defined as the output characteristics of the gas sensor, and the performance is evaluated. And using the gas concentration measuring apparatus (S180).
상기 (S140)단계에서 획득되는 최대전압변동율(S1~SN)은, 출력전압(VL)의 변동율 중에서 최대값으로 선택되므로, 불안정한 초기 출력전압(VL)에 상관없이 반복 측정에서도 일정한 값을 갖는다. 따라서, 초기 출력값에 영향을 받는 종래의 수학식 1, 수학식 2 또는 수학식 3 들이, 가스센서의 정확한 출력특성을 나타내지 못하는 반면에, 본 발명에 의한 최대전압변동율(S)는 초기 출력전압(VL)에 상관없이 가스센서의 전기적 출력특성을 정확하게 나타낸다.Since the maximum voltage variation ratio S 1 to S N obtained in the step S140 is selected as the maximum value among the variation ratios of the output voltage V L , the maximum voltage variation ratio S 1 to S N is constant even in repeated measurement regardless of the unstable initial output voltage V L. Has a value. Therefore, while the
하기의 표 1은, 황화수소(H2S)를 주입하여 3개의 가스센서로 측정된 데이터 테이블이고, 표 2는 측정된 표 1의 데이터 테이블을 이용하여 특성관계식(수학식 4)을 완성한 것이다.Table 1 below is a data table measured by three gas sensors by injecting hydrogen sulfide (H 2 S), Table 2 is to complete the characteristic relationship (Equation 4) using the measured data table of Table 1.
[표 1]TABLE 1
[표 2]TABLE 2
표 2의 특성관계식은, 일반적으로 사용되는 다중회귀분석 방법에 표 1의 데 이터를 적용하여 얻은 결과이다.The characteristic relations in Table 2 are the results obtained by applying the data in Table 1 to commonly used multiple regression methods.
도 4는 출력전압(VL, 32)와 출력전압 변동율과 최대전압변동율(S)의 관계를 도시하기 위한 그래프이다. 좌측 그래프는, 회분식 반응기(상부 그래프)와 연속식 반응기(하부 그래프)에서 가스챔버(12) 내에 가스를 주입하여, 부하저항 측정부(30)에 설치된 부하저항(RL, 31) 양단의 출력전압(VL, 32)의 변화를 가스 주입 시간(T)동안 측정하여 얻은 값을 도시한 것이다. 우측 그래프는, 측정된 출력전압(VL, 32)의 그래프상 기울기를 산출하여 얻은 출력전압 변동율을 도시한 것이다. 이때, 우측 그래프에서 출력전압 변동율의 최대값이 최대전압변동율(S)를 나타낸다.4 is a graph showing the relationship between the output voltage V L , 32, the output voltage variation rate, and the maximum voltage variation rate S. FIG. In the graph on the left, the gas is injected into the
도 5는, 부하저항 측정부(30)의 부하저항(RL, 31)를 10㏀으로 지정하고, 회분식 반응기에 농도 6ppm의 황화수소(H2S)를 주입하여 측정된 출력전압(VL, 32)과 상기 출력전압(VL, 32)을 기초로 하여 산출된 출력전압 변동율과 최대전압변동율(S)을 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 가스가 주입된 후에 가스센서(11)가 반응하는 속도를 나타내는 출력전압 변동율은, 초기 일정 시간동안 급격하게 증가하는 것을 알 수 있으며, 최대전압변동율(S)도 이때에 나타난다.5, the load resistance (R L , 31) of the load
도 6은 상기 표 1과 표 2의 결과에서 얻은 특성관계식의 검증 결과를 나타내 는 그래프이다. 도 6의 횡축은 주입된 실제 가스의 농도값을 나타내고, 종축은 표 2의 특성관계식에서 최대전압변동율(S)과 가스센서 내부저항(RS)를 대입하여 역으로 산출하여 추정한 농도값이다. 도 6에 따르면, 측정하여 얻은 최대전압변동율(S)과 가스센서 내부저항(RS)값을 특성관계식에 대입하여 얻은 농도는, 실제로 주입된 가스의 농도를 근소한 오차로서 추정됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 특성관계식은, 가스센서의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 가스센서의 내부저항(RS)과 주입된 가스농도(C) 정보를 명확하게 설명한다. 또한, 가스센서의 최대전압변동율(S)은 가스센서의 전기적 출력특성을 정확하게 표출하므로, 가스센서의 성능 평가도 다른 요인에 관계없이 정확하게 이루어질 수 있다.Figure 6 is a graph showing the verification results of the characteristic relationship obtained from the results of Table 1 and Table 2. The horizontal axis of FIG. 6 represents the concentration value of the actual gas injected, and the vertical axis represents the concentration value estimated by inverse calculation by substituting the maximum voltage fluctuation rate S and the gas sensor internal resistance R S in the characteristic relationship equation of Table 2. . According to FIG. 6, it can be seen that the concentration obtained by substituting the measured maximum voltage variation ratio S and the gas sensor internal resistance R S into a characteristic relation equation is estimated as a slight error of the concentration of the gas actually injected. Therefore, the characteristic relationship of the present invention clearly explains the internal resistance R S and the injected gas concentration C information of the gas sensor which directly affect the performance of the gas sensor. In addition, since the maximum voltage variation (S) of the gas sensor accurately expresses the electrical output characteristics of the gas sensor, the performance evaluation of the gas sensor can also be made accurately regardless of other factors.
도 7는 본 발명의 제 1실시예에 따른 도 1과 도 3에 의해 획득된 가스센서(11)의 특성데이터를 활용한 가스농도 측정장치의 블록 구성도이다.7 is a block diagram of a gas concentration measuring apparatus utilizing characteristic data of the
도 7을 참조한 가스농도 측정장치는, 가스를 감지하기 위해서 가스를 임시 담아두는 가스챔버(12)와, 상기 가스챔버(12)에 가스를 주입하는 가스주입장치와, 상기 가스챔버(12)에 설치되는 다수의 반도체식 가스센서(11)를 포함하여 구성되는 가스센서부(10)와; 상기 가스센서(11)에 직렬로 연결되는 부하저항(31)을 구비하고, 상기 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)를 측정하는 부하저항 측정부(30)와; 상기 부하저항(31)값, 상기 부하저항(31)에 따라 결정된 특성상수(a, b, d)값, 상기 가스센서(11)의 내부저항값(RS), 및 특성관계식(수학식 4)에 대한 정보를 저장하고 측정된 데이터를 저장하는 메모리(240)와; 측정된 아날로그 출력전압(32) 신호를 샘플링하여 디지털 출력전압(32) 데이터로 변환하는 A/D변환부(40)와; 측정된 출력전압(32) 데이터에서 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)를 색출하고, 상기 최대전압변동율(S)과 상기 메모리(240)에 저장된 내부저항값(RS)과 특성상수(a, b, d)값을 특성관계식(수학식 4)에 대입하여 주입된 가스농도(C)를 산출하는 가스농도 산출 제어부(220)와; 산출된 가스농도(C)를 출력하는 표시부(230)와; 가스를 주입하고 상기 가스농도 산출 제어부(220)를 제어하기 위한 신호를 입력받는 키입력부(250);를 포함하여 구성된다.The gas concentration measuring apparatus of FIG. 7 includes a
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 다른 도 7의 구성으로 가스의 농도를 측정하는 가스농도 측정방법을 도시한 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a gas concentration measuring method for measuring the concentration of gas in the configuration of FIG. 7 according to the first embodiment of the present invention.
도 8에 따른, 가스농도 측정방법은, 가스센서부(10)에 측정하고자 하는 가스를 주입하는 단계(S210)와; 부하저항(RL) 양단의 출력전압(VL)을 측정하고, 디지털 데이터로 변환하는 단계(S220)와; 측정된 상기 출력전압(VL)의 변동율을 산출하는 단계(S230)와; 가스가 주입되는 동안 산출되는 출력전압 변동율 중에서 최대값을 나타내는 최대전압변동율(S)를 색출하는 단계(S240)와; 상기 최대전압변동율(S)과 상기 메모리(240)에 저장된 내부저항값(RS)과 특성상수(a, b, d)값으로 부터 특성관계식(수학식 4)을 이용하여 주입된 가스농도(C)를 산출하는 단계(S250)와; 산출된 가스농도(C)를 표시부(230)에 출력하는 단계(S260);를 포함하여 이루어진다.8, the gas concentration measuring method includes injecting a gas to be measured into the gas sensor unit 10 (S210); Measuring the output voltage V L across the load resistor R L and converting it into digital data (S220); Calculating a rate of change of the measured output voltage (V L ) (S230); Extracting a maximum voltage change rate S representing a maximum value among the output voltage change rates calculated while the gas is injected (S240); The gas concentration injected from the maximum voltage variation ratio S, the internal resistance value R S stored in the
도 7의 메모리(240)에 저장되는 내부저항값(RS)과 특성상수(a, b, d)값과 부하저항(RL)은, 가스센서부(10)에 설치된 가스센서(11)의 특성을 나타내는 데이터이며, 도 3의 가스센서(11) 출력 특성데이터 측정방법에서 획득된 것이다. 또한, 도 7의 (S250)단계에서 상기 내부저항값(RS)과 특성상수(a, b, d)값은 특성관계식(수학식 4)의 고정 상수로 이용된다.The internal resistance value R S stored in the
도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스센서의 최대전압변동율(S) 데이터 획득방법을 도시한 순서도이다.9 is a flowchart illustrating a method of acquiring a maximum voltage variation (S) data of a gas sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 9의 가스센서의 최대전압변동율(S) 데이터 획득방법은, 도 1의 구성을 이용하여 수행될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 데이터 처리부(120)는 특성상수(a, b, d)를 얻기 위한 산출과정을 수행하지 않고, 색출된 최대전압변동율(S)을 표준가스의 농도(C)에 대응시켜 데이터 저장부(140)에 저장하기만 한다.The method for acquiring the maximum voltage variation (S) data of the gas sensor of FIG. 9 may be performed using the configuration of FIG. 1, and thus a detailed description thereof will be omitted. However, the
도 9에 따른 가스센서의 최대전압변동율(S) 데이터 획득방법은, 데이터 획득을 위해 사용될 표준가스의 농도값(C1~CN)을 저장하고, 부하저항값(RL)을 지정하고 저장하는 단계(S310)와; 표준가스에 일련번호(n)를 지정하고, 상기 일련번호(n)를 1로 초기화하는 단계(S321)와; n번째 표준가스를 가스챔버(12)에 주입하는 단계(S322)와; 출력전압(32)을 측정하여 디지털 데이터로 변환하여 저장하는 과정을, 주입된 표준가스에 대해 충분한 출력특성을 얻도록 가스센서(11)의 반응 시간을 감안하여 결정되는 시간 동안 반복하는 단계(S323)와; 상기 시간 동안의 출력전압(32) 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압(32) 변동율 중에서 최대값을 나타내는 표준가스별 최대전압변동율(Sn)을 색출하는 단계(S324)와; 색출된 상기 최대전압변동율(Sn)을 저장하는 단계(S325)와; 주입된 n번째 표준가스가 마지막번째(N)가 아니면 다음 표준가스를 주입하는 상기 (S322)단계를 반복하고, 준비된 모든 표준가스에 대한 최대전압변동율(S1~SN)를 색출하였으면, 다음 단계로 넘어가는 단계(S326, S327)와; 표준가스의 농도값(C1~CN)에 대응하는 최대전압변동율(S1~SN)의 데이터 테이블을 완성하는 단계(S330);를 포함하여 이루어진다.In the method for acquiring the maximum voltage variation (S) data of the gas sensor according to FIG. 9, the concentration value C 1 to C N of the standard gas to be used for data acquisition is stored, and the load resistance value R L is designated and stored. Step (S310); Assigning a serial number n to the standard gas, and initializing the serial number n to 1 (S321); injecting the nth standard gas into the gas chamber 12 (S322); The process of measuring the
상기 (S330)에서 완성된 데이터 테이블은, 상기 가스센서(11)를 이용한 가스농도 측정장치에 활용된다.The data table completed in S330 is utilized for a gas concentration measuring apparatus using the
상기 (S310)단계에서 지정된 부하저항값(RL)은, 그 값에 따라 최대전압변동율(S1~SN)의 값을 변화시키므로, 가스농도 측정장치에서 사용되는 부하저항값(RL)과 동일하게 설정되어야 한다. 만약, 가스농도 측정장치에서 부하저항값(RL)이 다수개로 지정될 경우에는, 그에 대응하는 최대전압변동율(S1~SN)을 얻어야만 한다.Since the load resistance value R L specified in the step S310 changes the value of the maximum voltage variation ratio S 1 to S N in accordance with the value, the load resistance value R L used in the gas concentration measuring apparatus. Should be set equal to If a plurality of load resistance values R L are specified in the gas concentration measuring apparatus, the corresponding maximum voltage variation ratios S 1 to S N must be obtained.
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스농도 측정방법을 도시한 순서도이 다. 도 10의 가스농도 측정방법은, 도 7의 구성을 이용하여 수행될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 가스농도 산출 제어부(220)는, 특성관계식(수학식 4)을 활용하지 않고, 메모리(240)에 저장된 농도값(C1~CN)에 대응하는 최대전압변동율(S1~SN)의 데이터 테이블을 활용한다.10 is a flowchart illustrating a gas concentration measuring method according to a second embodiment of the present invention. The gas concentration measuring method of FIG. 10 may be performed using the configuration of FIG. 7, and thus detailed description thereof will be omitted. However, the gas concentration
도 10에 따른 가스농도 측정방법은, 가스센서부(10)에 측정하고자 하는 가스를 주입하는 단계(S410)와; 부하저항(RL) 양단의 출력전압(VL)을 측정하고, 디지털 데이터로 변환하는 단계(S420)와; 측정된 상기 출력전압(VL)의 변동율을 산출하는 단계(S430)와; 가스가 주입되는 동안 산출되는 출력전압 변동율 중에서 최대값을 나타내는 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계(S440)와; 색출된 상기 최대전압변동율(S)값이 메모리(240)에 저장된 데이터 테이블에 있는지 확인하는 단계(S450)와; 상기 (S450)단계에서 상기 최대전압변동율(S)값이 상기 데이터 테이블에 있으면, 그에 대응하는 가스농도(C)값을 불러오는 단계(S461); 상기 (S450)단계에서 상기 최대전압변동율(S)값이 상기 데이터 테이블에 없으면, 상기 최대전압변동율(S)값 전/후의 최대전압변동율값과 가스농도값을 각각 불러들이고(S460), 불러들인 데이터를 이용하여 보간법으로 상기 최대전압변동율(S)값에 대응하는 가스농도(C)를 산출하는 단계(S470); 상기 (S461) 또는 상기 (S470)에서 얻은 가스농도(C)를 출력하는 단계(S480);를 포함하여 이루어진다.Gas concentration measuring method according to Figure 10, the step of injecting the gas to be measured in the gas sensor unit 10 (S410); The load resistance (R L) step (S420) of measuring an output voltage (V L) of both ends, and converted into digital data; Calculating a rate of change of the measured output voltage (V L ) (S430); Extracting a maximum voltage change rate S representing a maximum value among the output voltage change rates calculated while the gas is injected (S440); Checking whether the extracted maximum voltage change rate (S) is in a data table stored in the memory 240 (S450); If the maximum voltage variation ratio (S) is present in the data table in step S450, reading a gas concentration C value corresponding thereto (S461); If the maximum voltage change rate (S) is not present in the data table in the step S450, the maximum voltage change rate value and the gas concentration value before and after the maximum voltage change rate S are respectively read (S460). Calculating a gas concentration (C) corresponding to the maximum voltage change rate (S) by interpolation using data (S470); And (S480) outputting the gas concentration (C) obtained in the (S461) or the (S470).
상기 (S470)단계에서 사용되는 보간법은, 메모리(240)에 저장된 데이터 테이 블에 원하는 값이 없을 경우에, 저장된 데이터 중에서 가장 근접한 전/후의 데이터를 이용하여, 그 사이에 있고 상기 최대전압변동율(S)값에 대응하는 가스농도(C)값을 추정하는 방법으로서, 일반적인 알려진 수치해석 방법으로 적용될 수 있다.The interpolation method used in the step (S470), when there is no desired value in the data table stored in the
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.Although illustrated and described in the specific embodiments to illustrate the technical spirit of the present invention, the present invention is not limited to the same configuration and operation as the specific embodiment as described above, within the limits that various modifications do not depart from the scope of the invention It can be carried out in. Therefore, such modifications should also be regarded as belonging to the scope of the present invention, and the scope of the present invention should be determined by the claims below.
따라서, 상기 설명한 바와 같이 본 발명은, 가스센서의 내부저항(RS)과 주입된 가스 농도(C)를 주요 인자로 하는 가스센서 출력전압 변동율을 측정하여, 가스센서의 출력 특성을 객관적으로 명확하게 설명할 수 있다.Therefore, as described above, the present invention measures the gas sensor output voltage variation rate, which is based on the internal resistance R S of the gas sensor and the injected gas concentration C, to objectively clarify the output characteristics of the gas sensor. Can be explained.
또한, 본 발명은, 가스센서의 가변적인 초기 출력값에 구애받지 않고, 가스센서의 출력 특성을 설명할 수 있다.In addition, the present invention can explain the output characteristics of the gas sensor, regardless of the variable initial output value of the gas sensor.
또한, 본 발명은, 가스센서의 주요 정보를 포함하며 초기 출력값에 구애받지 않는 출력전압 변동율을 측정하므로서, 정확한 가스센서 성능평가에 유용하게 활용될 수 있다.In addition, the present invention can be usefully used for accurate gas sensor performance evaluation by measuring the rate of change of the output voltage including the main information of the gas sensor and independent of the initial output value.
또한, 본 발명은, 가스센서의 내부저항(RS)과 가스농도(C)로 설명되는 출력특성을 이용하여, 가스농도를 정확하게 측정할 수 있다.Further, the present invention can accurately measure the gas concentration by using the output characteristics described by the internal resistance R S and the gas concentration C of the gas sensor.
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