KR101074599B1 - 온도 측정 장치 및 이를 이용한 온도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 측온 저항체 및 이를 이용한 온도 측정 방법에 관한 발명으로, 측온 대상에 연결되고, 통과되는 전류에 따라 가변되는 전압값을 출력하는 측온 저항체 센서, 상기 측온 저항체 센서의 저항 양단으로 각각 입력되는 2개의 정전류원 및 상기 측온 저항체 센서의 출력단에 연결되고, 아날로그 전압 신호를 디지털 출력 신호로 변환하여 출력하는 변환기를 포함하고, 상기 2개의 정전류원은 출력 전류값이 동일한 것을 특징으로 한다.
측온 저항체, 정전류원

Description

온도 측정 장치 및 이를 이용한 온도 측정 방법{Temperature Detector and Measurement Method Of The Same}
본 발명은 측온 저항체를 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 두 개의 정전류원을 이용하여 온도 드리프트에 대응할 수 있는 특성이 있는 온도 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 측온 저항체(RTD: Resistance Temperature Detector)를 이용한 온도 측정 회로에 관한 것으로, 특히 산업용 온도 제어나 측정을 위해 사용되는 기기에 적용할 수 있는 종래의 방법보다 향상된 온도 측정 방법을 제시함으로써 정밀한 온도 측정에 이바지하고자 고안된 것이다.
측온 저항체는 온도 계수에 따라 직접 저항이 변하는 방식으로 온도를 측정하는 센서 중의 하나로, 상기 센서는 대상체의 온도를 그에 상응하는 저항값으로 변환시킨다. 상기 측온 저항체에서 이용하는 센서는 다양한 형태와 크기로 사용되며 캡슐에 넣어서 유체의 흐름에 직접 노출하여 사용하는 것으로, 브리지 회로 또는 정전류 회로를 사용한다. 일반적인 측온 저항체는 백금, 니켈 또는 니켈 합금으 로 만들어진 것이다. 상기 측온 저항체는 2선 방식과 3선 방식이 대표적이다. 상기 2선 방식의 측온 저항체는 전류 소스에 의해 구동되고, 이 전류는 일정하므로 전압 변화는 온도에 따른 저항 변화에 비례하는 방식이다. 3선 방식의 측온 저항체는 3선 브리지 회로에 연결되고, 상기 브리지 출력 전압은 측온 저항체의 저항의 변화를 감지하는 곳에 사용된다.
상기 측온 저항체의 저항값을 구한 후, 측정된 저항값을 이용하여 온도 대 저항 표를 참조해서 현재의 온도 값을 알 수 있다. 그러나 센서의 저항값을 직접 측정하기 위하여 저항체에 일정한 정전류를 흘려 보낸 후, 그 전압을 측정하여 저항값을 계산하는 방법을 사용한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 두개의 매칭된 정전류원을 이용하여 온도 드리프트 특성에 따른 오차를 최소화하여, 측온 저항체를 이용한 온도 측정 장치의 정밀도를 높이는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 예와 관련된 온도 측정 장치는, 측온 대상에 연결되고, 통과되는 전류에 따라 가변되는 전압값을 출력하는 측온 저항체 센서, 상기 측온 저항체 센서의 저항 양단으로 각각 입력되는 2개의 정전류원 및 상기 측온 저항체 센서의 출력단에 연결되고, 아날로그 전압 신호를 디지털 출력 신호로 변환하여 출력하는 변환기를 포함하고, 상기 2개의 정전류원은 출력 전류값이 동일한 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 온도를 측정하는 상기 3선식 센서에 2개의 정전류원을 매칭시켜 배치함으로써 3선식 센서의 측온 저항체에서만 측정되는 전압만을 측정할 수 있도록 하여 도선 저항의 오차를 제거하고, 변환기에 입력되는 전류값에 무관하게 디지털 변환하도록 하여 온도 드리프트에 의한 오차를 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 정전류원은 상기 변환기 내부에 포함되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 정밀한 정전류원을 개별적으로 구비하는 대신, 정전류원이 표함된 아날로그 디지털 변환기를 사용함으로써 비용 절감 효과와 함께 시스템 구성을 단순화 시키는 이점이 있다.
또한, 상기 변환기는, 다양한 채널을 통해 입력되는 아날로그 전압 신호를 하나씩 선택하여 출력하는 멀티 플렉서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 상기 온도 측정 장치는 다양한 채널을 통해서 구동될 수 있고, 각 지점마다 측정기를 별도로 구비하지 않아도 상기 다양한 채널을 하나씩 선택하여 출력하는 멀티 플렉서를 구비하여 단순한 시스템 구성으로 다양한 채널을 구동할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 변환기는, 입력되는 아날로그 전압 신호를 증폭하여 출력하는 계측용 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 상기 계측용 증폭기를 이용하여 온도 센서를 통해 출력되는 미세한 아날로그 입력 신호를 증폭시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 변환기는, 기준 전압 발생을 위한 정밀 기준 저항을 포함하고, 상기 정밀 기준 저항은 전류원의 전류가 상기 센서를 통해 배출되는 한 도선에 연결되어 변환기의 기준 전압으로 입력되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 통상 고가의 정밀한 기준 전압 IC를 사용하는 방법에서 저가의 정밀 기준 저항으로 대체하여 상기 온도 측정 장치의 생산이 비용 절감 효과를 가지는 이점이 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 온도 측정 장치 및 이를 이용한 온도 측정 방법에 따르면, 정밀한 정전류원을 별도로 구비하는 대신 매칭된 2개의 정전류원을 이용하여 도선 저항을 제거하면서 변환기에 입력되는 온도 드리프트 영향을 제거하여 정밀한 온도 측정이 가능하게 하는 이점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예로서 온도 측정 장치의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치는 센서(110), 정전류원(131,132), 변환기(140)를 포함한다.
상기 센서(110)는 온도를 측정해야 대상에 연결된 상태로, 통과되는 전류에 따른 전압값을 출력한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치의 상기 센 서(110)는 측온 저항체를 사용한다. 상기 측온 저항체는 온도를 측정하는 저항 소자로, 온도의 상승에 비례해서 저항값이 상승하는 성질을 이용한다. 상기 측온 저항체는 2선, 3선, 4선 등의 저항 소자가 있으며,
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 3선 방식을 이용한다. 상기 3선식 측온 저항체를 포함하는 센서는 변화되는 저항값을 전압값을 통하여 출력하게 한다. 상기 3선식 측온 저항체의 제 1 도선은 제 1 정전류원(131)의 전류가 통과하고, 제 2 도선은 제 2 정전류원(132)의 전류가 통과한다. 또한, 제 3 도선은 상기 제 1 정전류원 및 제 2 정전류원의 전류가 함께 배출되는 도선이 될 수 있다.
상기 센서(110)에 제 1 도선(121)을 통해 전류를 흘리고, 상기 제 1 도선(121)에 걸리는 전압과 제 2 도선(122)에 걸리는 전압의 차를 측정하여 상기 센서에 걸리는 전압값을 측정한다. 상기 센서에 걸리는 전압은 공통형 전압(common-mode voltage)으로 상기 두 전선 사이의 전압차를 측정하게 되어 오차를 발생하지 않게 된다.
상기 정전류원은 제 1 전류원(131)과 제 2 전류원(132)를 포함하는 2개의 정전류원이 매치(match)된 상태로 상기 센서(110)의 제 1 도선(121) 및 제 2 도선(122)에 연결된다. 상기 제 1 전류원(131)과 제 2 전류원(132)은 같은 전류값을 출력시킨다.
상기 제 1 전류원(131)은 제 1 도선(121)을 통과하면서 변환기의 신호 입력단에 전압 오차를 발생시킨다. 상기 발생된 오차를 보상하기 위하여 변환기의 (-) 도선에 연결된 제 2 전류원(122)이 사용된다. 상기 제 2 전류원(132)의 전류는 제 2 도선(122)을 통과하게 된다. 상기 제 1 도선(121)과 제 2 도선(122)는 같은 재질과 길이를 사용하여 같은 저항값을 가지게 할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 전류원(131)과 제 2 전류원(132)이 같은 값이라 가정하면, 상기 제 1 도선(121)을 통과하며 발생하는 전압 오차는 제 2 도선(122)을 통과하며 발생하는 전압 오차와 같은 값이되어 서로 상쇄되므로 상기 오차가 제거될 수 있다.
상기 변환기(140)는 아날로그-디지털 변환기로 아날로그 입력 전압 신호를 디지털 입력 전압 신호로 변환한다. 상기 변환기(140)에는 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 IC가 포함되어, 아날로그-디지털 변환 결과의 범위를 결정한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치는 기준 전압 IC를 대체하여 정밀 기준 저항(124)을 제 3 도선(123)에 연결하여 구성한다. 상기 정밀 기준 저항(124)은 상기 변환기의 기준 전압 입력 단자(
Figure 112008091148139-pat00001
)에 연결되어 사용된다. 상기 정밀 기준 저항(124)으로 발생된 기준 전압이 상기 변환기의 기준 입력 전압이 되고, 아날로그-디지털 변환 결과의 최소값 및 최대값을 통한 범위를 결정하게 된다.
이하, 변환기의 입력단에서 측정되는 전압값을 수식으로 설명하면 아래와 같다. 상기 변환기의 (+) 입력 단자와 (-) 입력 단자로 들어가는 전류는 0이라고 가정한다.
Figure 112008091148139-pat00002
Figure 112008091148139-pat00003
Figure 112008091148139-pat00004
Figure 112008091148139-pat00005
상기 변환기의 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00006
은 제 1 도선의 전압인
Figure 112008091148139-pat00007
과 제 2 도선의 전압인
Figure 112008091148139-pat00008
의 차로 측정될 수 있다. 상기 제 1 도선의 전압인
Figure 112008091148139-pat00009
은 제 1 도선의 저항
Figure 112008091148139-pat00010
과 센서의 저항
Figure 112008091148139-pat00011
와 제 1 전류원의 전류
Figure 112008091148139-pat00012
의 곱으로 표현할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도선의 전압인
Figure 112008091148139-pat00013
는 제 2 도선의 저항
Figure 112008091148139-pat00014
와 제 2 전류원의 전류
Figure 112008091148139-pat00015
의 곱으로 표현할 수 있다. 상기 제 1 전류원의 전류인
Figure 112008091148139-pat00016
과 제 2 전류원의 전류인
Figure 112008091148139-pat00017
의 값은 동일하므로,
Figure 112008091148139-pat00018
를
Figure 112008091148139-pat00019
으로 대체할 수 있고, 상기 제 1 도선과 제 2 도선을 같은 길이 및 같은 재질로 만들 경우 저항값이 동일하여
Figure 112008091148139-pat00020
값을
Figure 112008091148139-pat00021
값으로 대체할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 상기 수식을 정리하면, 상기 변환기의 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00022
은 제 1 전류원의 전류값인
Figure 112008091148139-pat00023
과 센서의 저항 값인
Figure 112008091148139-pat00024
의 곱으로 표현된다.
상기 수식의 결과에 따르더라도 변환기에 입력되는 전압은 상기 도선 저항인
Figure 112008091148139-pat00025
및
Figure 112008091148139-pat00026
에 무관하게 센서의 저항인
Figure 112008091148139-pat00027
값에 관여하여 측정된다.
즉, 측정 장치에 온도의 드리프트(drift)가 발생하는 경우에도, 제 1 도선(121)과 제 2 도선(122)에 발생하는 오차 전압이 서로 상쇄되어 상기 온도 측정 장치는 온도 드리프트의 영향에서 벗어날 수 있다.
이하, 상기 변환기에서 아날로그-디지털 결과값을 수식으로 설명하면 아래와 같다.
Figure 112008091148139-pat00028
Figure 112008091148139-pat00029
Figure 112008091148139-pat00030
Figure 112008091148139-pat00031
상기 변환기의 아날로그- 디지털 변환값은 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00032
에 대한 기준 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00033
의 비로 표현할 수 있고, 상기 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00034
은 제 1 도선의 전압인
Figure 112008091148139-pat00035
과 제 2 도선의 전압인
Figure 112008091148139-pat00036
의 차로 측정될 수 있다. 상기에서 살펴본 방법으로 입력 전압을 저항과 전류의 곱으로 표현하면, 상기 제 1 전류원의 전류인
Figure 112008091148139-pat00037
과 제 2 전류원의 전류인
Figure 112008091148139-pat00038
의 값이 동일하고, 상기 제 1 도선과 제 2 도선을 같은 길이 및 같은 재질로 만들 경우 저항값이 동일하여
Figure 112008091148139-pat00039
값을
Figure 112008091148139-pat00040
값으로 대체 하면, 상기 변환기의 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00041
은 제 1 전류원의 전류값인
Figure 112008091148139-pat00042
과 센서의 저항값인
Figure 112008091148139-pat00043
의 곱으로 표현된다. 또한, 기준 입력 전압
Figure 112008091148139-pat00044
는 제 1 도선 전류 및 제 2 도선 전류가 합쳐진 전류의 양과 기준 저항
Figure 112008091148139-pat00045
의 곱으로 표현될 수 있다. 또한, 상기 제 1 전류원의 전류인
Figure 112008091148139-pat00046
과 제 2 전류원의 전류인
Figure 112008091148139-pat00047
의 값이 동일하므로 상기 기준 입력 전압을 다시 표시하면, 2*
Figure 112008091148139-pat00048
*
Figure 112008091148139-pat00049
로 표시할 수 있다. 상기 수식을 정리한 결과, 전류값인
Figure 112008091148139-pat00050
의 상쇄로 상기 아날로그-디지털 변환 결과는 기준 저항
Figure 112008091148139-pat00051
와 센서의 저항
Figure 112008091148139-pat00052
의 값에만 영향을 받는다.
즉, 측정 장치에 온도의 드리프트(drift)가 발생하는 경우에도, 상기 아날로그- 디지털 변환 결과는 상기 전류의 변화가 변환기의 입력 전압 뿐만 아니라, 기준 입력 전압값에도 동시에 영향을 미치면서 서로 상쇄되어 전류 변화의 영향을 받지 않으므로, 상기 온도 측정 장치는 온도 드리프트의 영향에서 벗어날 수 있다.
또한, 상기 변환기는 상기 전류원(131, 132)을 상기 변환기의 내부 전류원으로 포함시켜 장치를 구성할 수 있다.
또한, 상기 변환기는 멀티 플랙서를 더 포함할 수 있다. 상기 멀티 플렉서(multiplexer)는 여러 개의 입력선 중에서 하나를 선택하여 단일 출력선으로 연결하는 조합회로를 의미한다. 즉, 다중 입력 데이터를 선택하여 단일 데이터로 출력한다. 상기 온도 측정 장치는 다양한 채널을 통해서 온도를 측정할 수 있고, 상기의 경우에 다양한 채널마다 변환기를 모두 구비할 수 없으므로, 멀티 플렉서를 더 포함하여 단일 데이터를 출력시켜 온도 측정에 이용할 수 있다.
또한, 상기 변환기는 계측용 증폭기를 더 포함할 수 있다. 상기 계측용 증폭기는 상기 변환기에 입력되는 아날로그 전압 신호를 증폭하여 출력한다. 일반적으로, 상기 센서에 의해 발생하는 신호는 100mV 이하의 미세 신호이므로, 상기 계측용 증폭기를 더 구비하여 상기 미세 신호를 증폭시킬 수 있다.
또한, 상기 변환기는 정전류원, 멀티 플렉서, 계측용 증폭기, 아날로그 디지털 변환부의 기능을 갖는 원칩 (one chip) 회로로 구성될 수 있으며, 이 경우 회로가 간단해지는 이점이 있다.
또한, 상기 변환기는 시그마 델타 아날로그 디지털 변환기(sigma delta analog digital converter)를 사용할 수 있다. 상기 시그마 델타 아날로그 디지털 변환기는 아날로그 신호를 고속으로 디지털신호로 변환시키고, 최저 잡음 및 최대 대역폭을 제공한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 계측용 증폭기(141,142)가 변환기 내부에 포함된 온도 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 계측용 증폭기(141, 142)가 상기 변환기에 포함되어 아날로그 입력 전압 신호를 증폭시켜 준다. 상기 변환기가 별도로 멀티 플렉서를 포함하는 경우에는 멀티 플렉서의 출력단에 연결되는 구조로, 하나의 계측용 증폭기로 입력 신호를 증폭할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 멀티 플렉서가 변환기 내부에 포함된 온도 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 멀티 플렉서(143)가 상기 변환기에 포함되어 다양한 채널을 통한 입력 전압 신호를 하나의 입력 전압 신호로 출력시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예인 온도 측정 장치를 포함하는 온도 측정 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 상기 온도 측정 시스템은 센서(410), 멀티 플렉서(420), 계측용 증폭기(430), 변환기(440) 및 마이크로 프로세서(450)를 포함한다.
상기 센서(410)는 측온 대상에 연결되어, 통과되는 전류값으로 전압값을 측정한다. 상기 멀티 플렉서(420)는 상기 센서로부터 다양한 채널의 전압 신호값을 입력 받아, 하나씩 출력한다. 상기 계측용 증폭기(430)는 상기 멀티 플렉서로부터 하나의 미세한 전압 신호값을 입력받아, 그 크기를 증폭시켜 출력한다. 상기 변환기(440)는 상기 계측용 증폭기로부터 크기가 증폭된 아날로그 전압 신호값을 입력받아 디지털 값으로 변환하여 출력한다. 상기 마이크로 프로세서(450)는 상기 변환기로부터 디지털 전압값을 입력받아, 상기 정전류원의 전류값과 함께 연산하여 저항값을 출력한다. 또한, 상기 마이크로 프로세서(450)는 상기 연산된 저항값을 이용하여 미리 저장되어 있는 저항 대비 온도 변환표를 기준으로 온도를 환산하여 최종적으로 대상 물질의 온도를 출력한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되고 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 범위에 의해 정해져야 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예로서 온도 측정 장치의 회로도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 정전류원이 변환기 내부에 포함된 온도 측정 장치를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 멀티 플렉서가 변환기 내부에 포함된 온도 측정 장치를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예인 온도 측정 장치를 포함하는 온도 측정 시스템의 구성도.
*도면의 주요 부분에 대한 설명
110: 센서
121: 제 1 도선, 122: 제 2 도선, 123: 제 3 도선 124: 기준 저항
131: 제 1 정전류원, 132: 제 2 정전류원
140: 변환기
141, 142: 계측 증폭기
143: 멀티 플렉서

Claims (6)

  1. 측온 대상에 연결되고, 통과되는 전류에 따라 가변되는 전압값을 출력하는 측온 저항체 센서;
    상기 측온 저항체 센서의 저항 양단으로 각각 입력되는 2개의 정전류원 및
    상기 측온 저항체 센서의 출력단에 연결되고, 아날로그 전압 신호를 디지털 출력 신호로 변환하여 출력하는 변환기를 포함하고,
    상기 2개의 정전류원은 출력 전류값이 동일한 온도 측정 장치
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 측온 저항체 센서는,
    상기 2 개의 정전류원 중 제 1 전류원의 전류가 통과하는 제 1 도선;
    상기 2 개의 정전류원 중 제 2 전류원의 전류가 통과하는 제 2 도선 및
    상기 제 1 도선의 전류 및 제 2 도선의 전류가 배출되는 제 3 도선을 포함하는 3선식 센서인 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 정전류원은
    상기 변환기 내부에 포함되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 변환기는,
    다양한 채널을 통해 입력되는 아날로그 전압 신호를 하나씩 선택하여 출력하는 멀티 플렉서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 변환기는,
    입력되는 아날로그 전압 신호를 증폭하여 출력하는 계측용 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 변환기는,
    기준 전압 발생을 위한 정밀 기준 저항을 포함하고,
    상기 정밀 기준 저항은 전류원의 전류가 상기 센서를 통해 배출되는 한 도선에 연결되어 변환기의 기준 전압으로 입력되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
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