KR100838255B1

KR100838255B1 - 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서

Info

Publication number: KR100838255B1
Application number: KR1020070010917A
Authority: KR
Inventors: 이승환
Original assignee: 충주대학교 산학협력단
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-06-17

Abstract

본 발명은 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 비분산 적외선 가스 센서의 온도 보상 방법에 관한 것이다.

본 발명의 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서는, 적외선 측정용 서모파일 센서; 상기 서모파일 센서의 주변 온도 측정을 위한 선형 온도 센서; 및 상기 서모파일 센서와 상기 선형 온도 센서의 출력들을 입력받아 차동 증폭하는 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

서모파일, 온도보상, 차동증폭, 가스센서, 비분산 적외선

Description

자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 {NDIR Gas Sensor with Self Temperature Compensation}

도 1은 종래의 ASIC 회로로 구성된 가스 센서 검출기에 포함된 선형 온도 센서의 온도 특성 곡선도.

도 2는 종래의 ASIC 회로로 구성된 가스 센서 검출기에 포함된 서모 파일 센서의 온도 특성 곡선도.

도 3은 일반적인 차동 증폭 회로의 구성도.

도 4는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 온도 보상 회로도.

도 5는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 온도 보상 회로의 출력 전압(V₀)을 도시한 그래프.

도 6은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서를 이용한 CO₂ 가스 센서 측정 결과를 도시한 그래프.

비분산 적외선 가스 센서는 소스로부터 방출된 적외선이 측정 대상 가스를 통과할 때 측정 대상 가스가 적외선을 흡수함에 따라 검출기에서 측정되는 적외선의 강도가 초기 강도에 비해 감소하는 원리를 이용한 가스 센서이다.

이러한 비분산 적외선 가스 센서의 적외선 검출기로에는 주로 서모파일 센서(Thermopile sensor)가 이용되는데, 서모파일 센서의 기본적 동작 원리는, 방사체로부터 방사되는 방사에너지를 수열판에 집속시키고, 수열판이 방사에너지를 흡수함에 따라 온도가 상승하게 되면서 열전대를 이용하여 온도 변화에 비례하는 기전력을 발생시켜 외부로 출력하는 것이다.

그런데, 서모파일 센서가 위치한 장소의 주변 온도가 증가하면 수열판이 흡수하는 에너지도 감소하게 되므로, 측정대상물 표면의 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 주변온도의 변화에 따른 서모파일의 출력전압의 변동분을 보상하는 온도보정을 수행해야 한다.

따라서, 상용 서모파일 센서들은 온도보정기능을 수행하기 위한 온도보상 소자를 포함한 상태로 패키징되어 가스 센서 검출기로 출시되는 것이 일반적이며, 예를 들어 독일 Heimann Sensor GmbH에서 제조하는 HIS C21-F4.26 가스 센서 검출기의 경우 선형 온도 센서와 서모 파일 센서가 포함된 ASIC 회로로 구성되어 있다.

도 1은 종래의 ASIC 회로로 구성된 가스 센서 검출기에 포함된 선형 온도 센 서의 온도 특성 곡선을 도시하고 있다.

도 1은 주변 온도의 변화에 따른 온도 센서의 출력 전압을 나타낸 것으로, 온도가 증가함에 따라 온도 센서의 출력은 단위 온도의 변화에 따라 약 8 mV에서 18 mV의 출력을 나타냄을 보여 주며, 우수한 선형적인 특징을 지니고 있음을 볼 수 있다.

한편, 도 2는 종래의 ASIC 회로로 구성된 가스 센서 검출기에 포함된 서모 파일 센서의 온도 특성 곡선을 도시하고 있다.

도 2는 주변 온도가 일정한 상태에서 측정 대상물의 온도 증가에 따라 출력 전압이 비선형적으로 증가하는 전형적인 서모파일 센서의 온도 특성을 도시하고 있다. 서모파일 센서의 경우 측정 대상물의 온도가 일정한 경우에도 주변 온도가 증가함에 따라 출력 전압이 감소하게 되므로, 주변 온도의 변화에 상관없이 동일한 출력 전압을 확보하고 측정 대상물의 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 반드시 온도 센서를 이용하여 온도보정을 해 주어야 한다.

상기 ASIC 회로로 구성된 가스 센서 검출기를 포함하는 종래의 가스 센서 검출기들의 경우, ASIC 회로에 내장된 온도 센서와 서모파일 센서의 출력 전압을 각각 측정하여, 이를 마이크로 컨트롤 유닛(Microcontrol Unit)에서 프로그램에 따라 온도를 보정 함으로써 가스 농도를 출력하는 방법을 사용하였다.

그러나, 비선형 소자인 서모파일 센서의 출력전압을 선형 소자인 온도 센서를 이용하여 보상할 경우 다차 다항식으로 구성되는 복잡한 보상함수가 이용되는 것이 일반적이며, 이러한 보상함수를 적용하기 위한 프로그램을 구동하기 위한 마 이크로 컨트롤 유닛이 필요하며, 때에 따라서는 실험적으로 생성된 룩업테이블을 저장하기 위한 별도의 메모리가 필요하게 된다.

상기 문제점을 고려하여, 본 발명은 별도의 프로그램이나 룩업테이블의 이용없이도 온도보상이 가능한 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 온도 보상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 온도보상용 선형 온도센서의 출력과 서모파일 센서의 출력을 입력으로 가지는 차동증폭회로를 제공함으로써, 통상의 사용구간에서 주변온도의 변화에 따른 서모파일 센서의 출력전압의 변화를 상쇄할 수 있는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 그 온도 보상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 10~40℃의 온도 구간에서 별도의 온도 보상이 필요없는 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 그 온도 보상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서는, 적외선 측정용 서모파일 센서; 상기 서모파일 센서의 주변 온도 측정을 위한 선형 온도 센서; 및 상기 서모파일 센서와 상기 선형 온도 센서의 출력들 을 입력받아 차동 증폭하는 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차동증폭기는 상기 서모파일 센서의 출력 전압의 인가되는 입력 단자측의 저항들이 제거되어 있으며, 상기 차동증폭기의 비반전 단자에 상기 서모파일 센서의 출력 전압이 인가되며, 상기 차동증폭기의 반전 단자에 상기 선형 온도 센서의 출력 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서모파일 센서의 출력 전압이 AOT, 상기 선형 온도 센서의 출력 전압이 AOR 일때, 상기 차동증폭기의 출력 전압 V₀는

의 관계식에 의해 결정되며, 10~40℃의 온도 구간에서 8mV 이하의 변동폭을 가지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면에 도시된 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서모파일 센서의 온도보상회로는 차동 증폭의 원리를 이용한다.

도 3은 일반적인 차동 증폭 회로를 도시하고 있다.

도 3은, 반전 출력(V₁)과 비반전 출력(V₂)이 차동 증폭회로의 양단에 인가되는 구성을 가진다. 그리고 차동 증폭기의 반전 입력단(-)과 출력단(V_O) 사이에 연결된 저항(R_f)와, 상기 차동 증폭기의 반전 입력단(-)과 상기 반전 출력(V₁) 사이에 연결된 저항(R₁)을 구성하고, 상기 차 동증폭기의 비반전 입력단(+)과 접지 사이에 연결된 저항(R₃)과, 상기 차동 증폭기의 비반전 입력단(+)과 상기 비반전 출력(V₂) 사이에 연결된 저항(R₂)을 구성한다.

V₁, V₂의 전압이 차동 증폭기의 양단에 인가되는 경우, 차동 증폭의 출력 전압 V₀는 다음의 식으로 나타난다.

..................... (1)

........................ (2)

통상적인 차동 증폭기의 경우, 상기 저항은

,

으로 설정하여 다음의 출력 특성을 얻는다.

........................................... (3)

(3)식에서 보는 바와 같이, 통상적인 차동 증폭 회로의 경우, 차동 증폭기의 출력 전압은 입력단의 전압차와 차동 증폭기의 저항비에 의해 결정된다.

도 4는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 온도 보상 회로도로서, 차동 증폭 회로를 이용하여 서모파일 센서의 온도 보상 회로를 구성하였다.

도 4의 온도 보상 회로는 차동 증폭 회로의 양단에 서모파일 센서의 출력 전압(AOT)과 선형 온도 센서의 출력 전압(AOR)이 인가되고 있으며,

,

으로 설정되어 있다.

이에 따라, 차동 증폭기의 출력 전압은 다음과 같이 구해진다.

........ (4)

도 5는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 온도 보상 회로의 출력 전압(V₀)을 도시한 그래프이다.

도 5에서, 온도 보상 회로의 출력 전압은 주변 온도의 증가에도 불구하고 10~40℃ 구간에서 거의 변화가 없으며, 40℃~65℃ 구간에서는 약 40 mV의 큰 전압변화를 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉, 실내 온도 범위인 10~40℃의 구간에서, 주변 온도 변화에 따른 온도 보상 회로의 출력 전압의 변화가 약 8mV에 불과하다.

이와 같은 결과는, 본 발명의 온도 보상 회로를 구비한 비분산 적외선 가스 센서의 경우, 통상적으로 비분산 적외선 가스 센서가 이용되는 실내 온도 구간(즉, 10~40℃)에서 온도 보상을 위한 별도의 프로그램이나 룩업테이블이 불필요함을 의미한다.

도 6은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서를 이용한 CO₂ 가스 센서 측정 결 과를 도시한 그래프이다.

도 6의 가로 축은 가스 측정 장비를 이용하여 측정한 기준 가스 농도이며, 세로 축은 본 발명의 온도 보상 회로를 구비한 비분산 적외선 CO₂ 센서를 이용하여 측정한 가스 농도이며, 그래프 내에는 주변 온도가 15℃, 25℃ 및 35 ℃인 경우에 대한 가스 농도 측정치가 도시되어 있다.

도 6의 그래프는, 15℃, 25℃, 35℃에서 CO₂ 를 0ppm에서 2,250ppm까지 250ppm 간격으로 주입시켜며 실험한 결과이다.

가스 농도가 0~2,000ppm 사이에서 변화할 때, 가스 센서의 출력 전압 변동폭이 약 360mV이다. 0ppm에서의 온도에 따른 출력 전압의 변화가 약 8mV라는 것은 2.2%의 출력 전압 변동을 의미하고, 이를 가스 농도로 표현하면 2,000ppm 기준으로 약 44ppm의 농도 오차가 있음을 의미한다. 도 6에서도 기준 CO₂ 농도와 측정된 CO₂ 농도의 오차는 +/- 40ppm이라는 것을 확인할 수 있다.

약 44ppm의 농도 오차는 상기 ASIC 회로로 구성된 가스 센서 검출기를 포함하는 종래의 가스 센서 검출기들의 경우에 프로그램 로직이나 룩업테이블을 이용하여 온도보상을 한 경우의 농도 오차보다 작은 값이다.

이러한 결과는, 서모파일 센서와 선형 온도 보상 센서를 구비한 상용 가스 센서 검출기에 본 발명의 차동 증폭 회로를 결합하여 구성되는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 경우, 통상적인 실내 온도 구간(즉, 10~40℃)에서 안정적이고 신뢰할 수 있는 출력 신호를 생성하고 있으므로 별도의 온도 보정 메커니즘이 필요없음을 의미한다.

본 발명에 따르면, 별도의 프로그램이나 룩업테이블의 이용없이도 온도보상이 가능한 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 온도 보상 방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 온도보상용 선형 온도센서의 출력과 서모파일 센서의 출력을 입력으로 가지는 차동증폭회로를 제공함으로써, 통상의 사용구간에서 주변온도의 변화에 따른 서모파일 센서의 출력전압의 변화를 상쇄할 수 있는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 그 온도 보상 방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 10~40℃의 온도 구간에서 별도의 온도 보상이 필요없는 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 및 그 온도 보상 방법이 제공된다.

Claims

적외선 측정용 서모파일 센서;

상기 서모파일 센서의 주변 온도 측정을 위한 선형 온도 센서; 및

상기 서모파일 센서와 상기 선형 온도 센서의 출력들을 입력받아 차동 증폭하는 차동증폭기를 포함하며,

상기 차동증폭기의 비반전 단자에 상기 서모파일 센서의 출력 전압이 인가되며, 상기 차동증폭기의 반전 단자에 상기 선형 온도 센서의 출력 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 차동증폭기는 상기 서모파일 센서의 출력 전압의 인가되는 입력 단자측의 저항들이 제거되어 있는 것을 특징으로 하는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 서모파일 센서의 출력 전압이 AOT, 상기 선형 온도 센서의 출력 전압이 AOR 일때, 상기 차동증폭기의 출력 전압 V₀는 아래의 관계식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서.

이때, R_f는 차동 증폭기의 반전 입력단(-)과 차동 증폭기의 출력 전압 V₀ 사이에 연결된 저항이고, 상기 R₁는 차동 증폭기의 반전 입력단(-)과 상기 선형 온도 센서의 출력 전압 사이에 연결된 저항이다.
제 4 항에 있어서,

상기 차동증폭기의 출력 전압 V₀는 10~40℃의 온도 구간에서 8mV 이하의 변동폭을 가지는 것을 특징으로 하는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서.
제 5 항에 있어서,

측정 대상 가스는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서.
제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 서모파일 센서와 상기 선형 온도 센서는 ASIC 회로로 구성되어 주변 온도에 따른 출력 신호와 가스 농도에 따른 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는, 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서.