KR101527765B1

KR101527765B1 - 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템

Info

Publication number: KR101527765B1
Application number: KR1020140106216A
Authority: KR
Inventors: 박기수; 변종렬
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2015-06-11

Abstract

본 발명의 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템은 마이크로 초(second)수준의 응답속도를 갖는 동축(coaxial)타입 초음속/극초음속용 열전대(thermocouple)(20), 연결된 열전대(20)의 미세 신호를 이중 연산증폭기(dual operational amplifier)(31,33)와 2개의 저역필터(low-pass filter)(35)를 이용해 증폭하는 전자신호 처리장치(30), 전자신호 처리장치(30)의 증폭신호를 컴퓨터(50)로 전송하는 전선(40), 지상시험장치(100)의 초고속 유동 환경 공간에 놓여진 실험모델(200)에 열전대(20)와 전자신호 처리장치(30)를 장착하는 세라믹 재질 절연체 실험모델 커넥터(70)을 포함함으로써 냉접점에 의한 보상(cold-junction compensation)을 극대화하고, 증폭 신호 전달 시에 유기될 수 있는 노이즈의 영향 최소화가 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템{Noise Reduction Type Fast Response Heat Flux Acquisition System}

본 발명은 초고속 응답 열유량 센서에 관한 것으로, 특히 고속 유동 내 열유량 측정을 위해 노이즈 저감형 센서와 전자신호 처리장치를 통합한 단일 획득시스템에 관한 것이다.

일반적으로 초고속 유동 환경에서 신뢰할 수 있는 열전달 예측은 매우 중요하고, 특히 극초음속 비행체의 대기권 진입 및 하강 시에 신뢰할 수 있는 열전달 예측은 비행체의 생존 및 성능 분석에 있어 필수적인 요소일 수밖에 없다.

이를 위한 열유량 획득시스템으로, 열유량 센서(열전대), 전선, 동축케이블, 연산증폭기(operational amplifier)/저역필터(low-pass filter)/냉접점 보상유닛(cold-junction compensator)/DC전원 공급장치가 포함된 전자신호 처리장비가 있다.

열전달 예측 실험 시, 열전대는 실험모델 표면에 장착되어 있으며, 열전대 전선을 통해 지상 시험장비 밖으로 나와 전자신호 처리장비로 연결됨으로써 열유량 획득시스템이 초음속/극초음속 풍동 및 충격파 계열의 지상 시험장비인 지상시험장치와 연계된다.

특히, 상기 지상시험장치는 짧은 유동시간을 갖는 시험조건에서 시험모델의 표면온도 측정 후 일차원 비정상 열전달 방정식을 사용함으로써 열전달율 환산이 쉽게 이루어지는 장점을 갖는다.

그러므로, 극초음속 비행체의 열전달 예측 시 초고속 유동 환경을 모사한 지상시험장치와, 동축 형태의 열전대를 사용하는 열유량 획득시스템이 사용됨으로써 높은 신뢰도로 열전달 예측이 이루어질 수 있다.

국내등록특허 10-0386169(2003년05월21일)

하지만, 열유량 획득시스템은 열유량 센서(열전대)와 전자신호 처리장비를 전선으로 연결함으로써 열전달율 측정 시에 외부로부터 유기된 다양한 종류의 노이즈(예, 전자기, 정전기, 음향, 복사 등)로부터 자유로울 수 없다.

일례로, 열전대 표면에서 측정된 전압은 전선을 통해 전자신호 처리장비로 이동할 때 열전대와 전선 연결부분에서 불필요한 전압(△V)이 발생되고, 이는 측정된 전압과 섞여짐으로써 일정한 오차가 초래된다. 그러므로, 측정값에는 큰 폭의 노이즈가 빈번히 섞여있게 된다. 더 나아가, 이러한 현상은 정상상태 유동시간 내에서 평균값 측정에 상당한 오차를 초래하는 한 원인일 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 고속 유동 내 열유량 측정을 위해 노이즈 저감형 센서와 전자신호 처리장치를 전선 없이 통합함으로써 냉접점에 의한 보상을 극대화하고, 미세한 전기신호를 측정한 후 즉시 증폭하여 전달함으로써 증폭 신호 전달 시에 유기될 수 있는 노이즈의 영향 최소화가 이루어지는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고속 응답 열유량 획득시스템은 외부에 노출된 열전대 접점을 형성하고, 마이크로 초(second)수준의 응답속도를 갖는 동축(coaxial)타입 초음속 및 극초음속용 열전대(thermocouple); 상기 열전대 접점의 반대쪽 부위로 상기 열전대에 연결되고, 이중 연산증폭기(dual operational amplifier)와 2개의 저역필터(low-pass filter)로 상기 열전대의 미세 신호를 증폭하는 전자신호 처리장치; 상기 전자신호 처리장치에서 인출되고, 초고속 유동 환경 공간을 제공하는 지상시험장치의 외부에 구비된 컴퓨터로 상기 전자신호 처리장치의 증폭신호를 전송하는 전선; 상기 열전대와 상기 전자신호 처리장치를 수용해 상기 초고속 유동 환경 공간에 놓여진 실험모델에 장착되고, 세라믹 재질로 이루어진 절연체 실험모델 커넥터;가 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 절연체 실험모델 커넥터는 2mm의 직경으로 상기 열전대와 상기 전자신호 처리장치를 감싸고, 20~30mm의 길이로 상기 열전대와 상기 전자신호 처리장치를 수용한다. 상기 절연체 실험모델 커넥터는 외주면으로 나사부를 형성하고, 상기 나사부를 이용해 상기 실험모델에 장착된다.

상기 열전대는 상기 열전대 접점을 형성하는 상기 절연체 실험모델 커넥터로 감싸이고, 상기 절연체 실험모델 커넥터에는 커넥팅 클립이 구비되며, 상기 전자신호 처리장치가 상기 커넥팅 클립에 끼워져 상기 열전대와 연결된다.

상기 이중 연산증폭기의 각각은 증폭크기가 100배 증폭, 10배 증폭으로 설정되고, 1개는 냉접점 보상이 이루어지는 냉접점 보상연산증폭기이고, 다른 1개는 냉접점 보상이 이루어지지 않는 연산증폭기이다. 상기 냉접점 보상 연산증폭기와 상기 연산증폭기 및 상기 2개의 저역필터는 각각 마이크로초 수준의 응답 속도를 갖는다.

상기 전자신호 처리장치에는 DC전원 공급장치가 연결되고, 상기 DC전원 공급장치는 상기 이중 연산증폭기와 상기 2개의 저역필터가 회로로 구성된 PCB에 연결된다.

이러한 본 발명은 고속 유동 내 열유량 측정을 위해 노이즈 저감형 센서와 전자신호 처리장치를 전선 없이 통합한 열유량 획득시스템이 구현됨으로써 시험 모델 표면의 열유량 측정과정에서 발생하는 다양한 노이즈를 제어할 수 있고, 특히 노이즈 영향 최소화로 초음속/극초음속 비행체 재료 특성과 공기열역학 특성 파악 등을 위한 실험 데이터의 오차 향상과 측정 기술의 신뢰도 향상이 이루어지는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 열유량 획득시스템은 마이크로 초 수준의 응답속도를 갖는 초음속/극초음속용 열전대(thermocouple)를 전선 없이 바로 전자신호 처리장치에 장착함으로써 냉접점(cold junction)에 의한 보상을 극대화하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 열유량 획득시스템은 약 2 mm의 센서 표면 직경과 약 2-3 cm의 시스템 길이를 가짐으로써 메우 작은 실험모델에서도 많은 양이 장착될 수 있고, 특히 삼차원적 형상을 갖는 모델에서 표면 단절효과를 최소화함으로써 활용도가 높은 효과가 있다.

또한, 본 발명의 열유량 획득시스템은 센서 후면에 연산증폭기(operational amplifier) 및 저역필터(low-pass filter)가 포함된 전자신호 처리장치로 미세 신호 증폭 후 전달함으로써 신호 전달 시에 유기될 수 있는 노이즈의 영향이 최소화되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 열유량 획득시스템은 열유량 뿐만 아니라 압전저항형(piezoresistive) 및 압전기형(piezoelectric)을 기반으로 한 온도/압력센서와 같은 다양한 접촉식 표면센서에 동일하게 활용되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열유량 획득시스템을 구성하는 열전대와 전자신호 처리장치가 끼움식으로 연결되는 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전자신호 처리장치의 세부 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 열전대와 전자신호 처리장치를 일체화시켜 실험모델에 장착되는 실험모델 커넥터의 구성도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 초고속 응답 열유량 획득시스템의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 열유량 획득시스템(10)은 마이크로 초(second) 수준의 응답속도를 갖는 동축(coaxial)타입 초음속/극초음속용 열전대(thermocouple)(20), 전자신호 처리장치(30), 전선(40), 컴퓨터(50)를 포함한다. 상기 열전대(20)와 상기 전자신호 처리장치(30)는 실험모델(200)의 표면에 장착되고, 상기 실험모델(200)은 지상시험장치(100)의 시험구간으로 위치된다. 특히, 상기 전선(40)은 실험모델(200)을 따라 지상시험장치(100)에서 인출되고, 인출된 끝 부위는 컴퓨터(50)로 연결된다.

상기 지상시험장치(100)는 초음속/극초음속 풍동 및 충격파 계열의 지상 시험장비이고, 극초음속 비행체의 대기권 진입 및 하강 시와 같은 초고속 유동 환경을 재현한다. 상기 실험모델(200)은 대기권 진입 및 하강이 이루어지는 극초음속 비행체를 의미한다.

그러므로, 상기 열유량 획득시스템(10)은 열전대(20)와 전자신호 처리장치(30)의 연결에 전선(40)를 제거함으로써 열전대(20)의 마이크로 초 수준의 응답속도로 냉접점(cold junction)에 의한 보상이 극대화될 수 있다. 특히, 상기 열유량 획득시스템(10)은 그 후면에 연산증폭기(operational amplifier) 및 저역필터(low-pass filter)를 포함한 전자신호 처리장치(30)를 설치하고, 전자신호 처리장치(30)를 이용해 미세한 신호를 증폭하여 전달함으로써 신호 전달 시에 유기될 수 있는 노이즈의 영향이 최소화될 수 있다.

한편, 도 2는 열전대(20)의 후면과 전자신호 처리장치(30)의 연결 구성을 나타내다.

도시된 바와 같이, 열전대(20)와 전자신호 처리장치(30)는 커넥팅 클립(60)으로 연결되고, 상기 커넥팅 클립(60)은 전자신호 처리장치(30)가 삽입된 상태에서 탄성력으로 고정 상태를 잡아주는 탄성재질로 이루어진다. 그러므로, 전자신호 처리장치(30)를 열전대(20)로 구비된 커넥팅 클립(60)으로 밀어 넣어 끼어주는 간단한 동작만으로 열전대(20)와 전자신호 처리장치(30)의 조립이 이루어질 수 있다.

이와 같이 커넥팅 클립(60)을 이용한 끼움식 조립방식은 구성을 간단히 하고, 별도의 납땜 기술이 요구되지 않음으로써 산화되는 현상이나 접촉 불량과 같은 문제점에서 자유로우며, 사용면에서도 수명이 반영구적인 장점을 제공한다. 특히, 열전대(20)의 표면에서 측정된 전압이 전선(40)을 통해 전자신호 처리장치(30)로 이동할 때, 열전대(20)와 전선(40)의 연결부분에서 측정된 전압에 섞여 일정한 오차를 초래하는 불필요한 전압(△V)이 발생되지 않음으로써 전자신호 처리장치(30)의 냉접점 보상유닛을 통한 오차 축소가 가능하다.

또한, 상기 열전대(20)를 위한 열전대 접점(20-1)은 사포를 이용한 외부 노출로 간단하게 형성된다.

한편, 도 3은 전자신호 처리장치(30)의 세부 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 전자신호 처리장치(30)는 PCB(30-1)로 이루어지고, 상기 PCB(30-1)에는 냉접점 보상 연산증폭기(cold-junction compensator operational amplifier)(31), 연산증폭기(operational amplifier)(33), 2개의 저역필터(low-pass filter)(35)가 회로를 형성한다.

여기서, 냉접점 보상연 산증폭기(31)은 연산증폭기(operational amplifier)를 의미한다. 또한, 연산증폭기(33)는 냉접점 보상(cold-junction compensator)이 없는 연산증폭기(operational amplifier)를 의미한다. 그러므로, 상기 냉접점 보상연산증폭기(31)와 상기 연산증폭기(operational amplifier)(33)는 이중 연산증폭기를 구성하고, 약 x100과 x10정도의 증폭 규모로 설정된다. 그리고, 상기 PCB(30-1)의 좌측으로 구비된 냉접점 보상 연산증폭기(31)에는 열전대(20)가 연결되고, 반면 우측으로 구비된 연산증폭기(33)에는 전원 및 출력이 연결됨으로써 위쪽은 +15 V, 중간은 출력, 아래쪽은 접지(GND)를 형성한다.

또한, 상기 2개의 저역필터(low-pass filter)(35)중 1개는 냉접점 보상 연산증폭기(31)의 좌측으로 위치되고, 나머지 1개는 연산증폭기(33)의 우측으로 위치된다.

그리고, 상기 DC전원 공급장치(37)는 외부에서 전선을 통해 PCB(30-1)와 연결됨으로써 DC전원 공급장치(37)는 PCB(30-1)와 일체화되지 않는다. 특히. DC전원 공급장치(37)는 입력전원은 AC220V@60Hz이며 최고 출력 전압은 연산증폭기(31,33)의 허용 최고 출력 전압에 의거 0-14 V로 제한된다.

이와 같이, 상기 PCB(30-1)가 열전대(20)의 후면에 설치되고, 열전대(20)의 미세한 신호를 증폭 후 전달함으로써 신호 전달 시에 유기될 수 있는 노이즈의 영향을 최소화된다.

한편, 도 4는 열전대(20)와 전자신호 처리장치(30)를 보호하고, 전기절연체 역할을 하며 실험모델(200)과 연결되는 절연체 실험모델 커넥터(70)를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 절연체 실험모델 커넥터(70)는 그 내부 공간에 커넥팅 클립(60)으로 연결된 열전대(20)와 전사신호 처리장치(30)를 수용하고, 반면 그 외주면으로 나사부(70-1)를 형성함으로써 실험모델(200)과 장착이 용이하게 이루어진다. 상기 절연체실험모델 커넥터(70)는 공구로 가공할 수 있는 Macor 유리-세라믹(machinable-glass-ceramic)으로 만들어진다. 이러한 Macor 세라믹은 높은 밀도와 굉장히 낮은 열전도율을 갖고 있으며, 특히 고온(800도 이상)에서도 형상이 변하지 않는 장점을 가지고 있다. 특히, 상기 절연체 실험모델 커넥터(70)는 열전대(20)의 직경(d)이 수용되는 약 2 mm의 직경(D)과, 전자신호 처리장치(30)의 길이를 수용하는 약 2-3cm의 길이(H)로 형성된다.

그러므로, 상기 열유량 획득시스템(10)은 규모면에서 그 표면 직경이 약 2 mm 수준이면서 총 시스템 길이는 약 2-3 cm 수준으로 극히 적게 형성됨으로써 실험모델(200)이 아주 작은 경우에도 많은 개수로 장착될 수 있고, 실험모델(200)의 삼차원적 형상에서도 표면 단절효과를 최소화할 수 있어 높은 활용도가 구현될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템은 마이크로 초(second)수준의 응답속도를 갖는 동축(coaxial)타입 초음속/극초음속용 열전대(thermocouple)(20), 연결된 열전대(20)의 미세 신호를 이중 연산증폭기(dual operational amplifier)(31,33)와 2개의 저역필터(low-pass filter)(35)를 이용해 증폭하는 전자신호 처리장치(30), 전자신호 처리장치(30)의 증폭신호를 컴퓨터(50)로 전송하는 전선(40), 지상시험장치(100)의 초고속 유동 환경 공간에 놓여진 실험모델(200)에 열전대(20)와 전자신호 처리장치(30)를 장착하는 세라믹 재질 절연체 실험모델 커넥터(70)를 포함함으로써 냉접점에 의한 보상(cold-junction compensation)을 극대화하고, 증폭 신호 전달 시에 유기될 수 있는 노이즈의 영향 최소화가 이루어진다.

10 : 열유량 획득시스템 20 : 열전대
20-1 : 열전대 접점
30 : 전자신호 처리장치 30-1 : PCB
31 : 냉접점 보상(cold-junction compensator)연산증폭기
33 : 연산증폭기(operational amplifier)
35 : 저역필터(low-pass filter)
37 : DC전원 공급장치 40 : 전선
50 : 컴퓨터 60 : 커넥팅 클립
70 : 절연체 실험모델 커넥터
70-1 : 나사부
100 : 지상시험장치 200 : 실험모델

Claims

외부에 노출된 열전대 접점을 형성하고, 마이크로 초(second)수준의 응답속도를 갖는 동축(coaxial)타입 초음속 및 극초음속용 열전대(thermocouple);
1개는 냉접점 보상이 이루어지는 냉접점 보상 연산증폭기(cold-junction compensator operational amplifier)이고, 다른 1개는 냉접점 보상이 이루어지지 않는 연산증폭기(operational amplifier)로 이루어진 이중 연산증폭기(dual operational amplifier)와, 2개의 저역필터(low-pass filter)로 이루어진 전자신호 처리장치;
상기 전자신호 처리장치에서 인출되고, 초고속 유동 환경 공간을 제공하는 지상시험장치의 외부에 구비된 컴퓨터로 상기 전자신호 처리장치의 증폭신호를 전송하는 전선;
상기 열전대와 상기 전자신호 처리장치를 수용해 상기 초고속 유동 환경 공간에 놓여진 실험모델에 장착되고, 세라믹 재질로 이루어진 절연체 실험모델 커넥터;가 포함되고,
상기 열전대는 상기 열전대 접점을 형성하는 상기 절연체 실험모델 커넥터로 감싸이고, 상기 절연체 실험모델 커넥터에는 커넥팅 클립이 구비되며, 상기 냉접점 보상 연산증폭기가 상기 열전대의 미세 신호를 증폭해 전원 및 출력이 연결된 상기 연산증폭기로 전달하도록 상기 전자신호 처리장치가 상기 커넥팅 클립에 끼워져 상기 열전대 접점의 반대쪽 부위에서 상기 열전대에 연결되고,
상기 절연체 실험모델 커넥터는,
2mm의 직경으로 상기 열전대와 상기 전자신호 처리장치를 감싸고, 20~30mm의 길이로 상기 열전대와 상기 전자신호 처리장치를 수용하고,
외주면으로 나사부를 형성하고, 상기 나사부를 이용해 상기 실험모델에 장착된 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 냉접점 보상 연산증폭기와 상기 연산증폭기의 각각은 증폭크기가 100배 증폭, 10배 증폭으로 설정된 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 냉접점 보상 연산증폭기(cold-junction compensator)은 마이크로 초 수준의 응답 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 연산증폭기(operational amplifier)는 마이크로초 수준의 응답 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 2개의 저역필터(low-pass filter)는 마이크로초 수준의 응답 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전자신호 처리장치에는 DC전원 공급장치가 연결되고, 상기 DC전원 공급장치는 상기 이중 연산증폭기(dual operational amplifier)와 상기 2개의 저역필터(low-pass filter)가 회로로 구성된 PCB에 연결되는 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 열전대는 연산증폭기를 기반으로 하는 압전저항형(piezoresistive)이나 압전기형(piezoelectric)의 온도센서나 압력 센서인 것을 특징으로 하는 노이즈 저감형 초고속 응답 열유량 획득시스템.