KR101699126B1 - 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법 - Google Patents

배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 장치와 그 구동 방법에 관한 것으로, 배기가스 중 입자상 물질을 검출하는 센서부; 상기 센서부와 병렬 연결되어 충전 및 방전 동작을 수행하기 위한 충방전부; 상기 충방전부에 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 충방전부에 공급되는 전원을 제어하는 전원 공급 제어부; 상기 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교하는 전압 변화량 비교부; 및 비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단하는 흡착 정도 판단부;를 포함한다.

Description

배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법{APPARATUS USING PARTICULATER MATTER DETECTION SENSOR CIRCUIT AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 RC 회로의 커패시터 방전에 의한 전압강하를 토대로 입자상 물질의 흡착 정도를 검출하는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있는 현실이다.
일반적으로, 가솔린 또는 디젤을 연료로 사용하는 가솔린 차량 또는 디젤 차량에는 배출되는 배기가스 중에서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(Particulate Matter, PM)이 포함된다.
여기서, 차량에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(ParticulateMatter, PM) 등의 배기가스 중 입자상 물질은 부유 분진의 발생을 가중시킴으로써 대기 오염의 주요 원인으로 알려져 있다.
상술한 바와 같은 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염 물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.
즉, 배기가스에 포함되는 대기 오염 물질을 감소시키기 위하여 차량의 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키는 기술로서, 엔진 기술 및 전처리 기술 등이 개발되고 있으나, 배기가스의 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가 가스 저감 기술만으로는 규제를 만족시키는데 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 차량의 엔진에서 연소된 후 배출되는 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.
상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.
이러한 배기가스 저감장치는 디젤 또는 가솔린 엔진에서 배출되는 입자상 물질을 여과필터로 포집한 후 이것을 태우고(이하, 재생이라 함) 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서, 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능 면에서는 아주 우수하나, 내구성과 경제성이 실용화의 장애요인으로 작용하고 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-0035682호는 "입자상 물질 센서"에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, RC 회로의 자체적인 전압강하와 IED와 연결된 RC 회로의 전압강하를 비교하여 흡착된 입자상 물질의 흡착 정도를 판단하는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 커패시터를 통해 IED의 저항이 Giga-ohm 정도로 감소하여 수 mV의 전압강하까지 구별할 수 있는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 이를 이용하는 장치와 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치는 배기가스 중 입자상 물질을 검출하는 센서부; 상기 센서부와 병렬 연결되어 충전 및 방전 동작을 수행하기 위한 충방전부; 상기 충방전부에 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 충방전부에 공급되는 전원을 제어하는 전원 공급 제어부; 상기 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교하는 전압 변화량 비교부; 및 비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단하는 흡착 정도 판단부;를 포함한다.
또한, 상기 충방전부는 상기 전원 공급부에 의해 전압이 전원의 전압과 동일해질 때까지 충전되고, 상기 전원 공급부에 의해 전압이 전원의 전압과 동일해지면 방전되기 시작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전압 변화량 비교부는, 상기 센서부에 입자상 물질이 흡착되지 않은 경우의 상기 충방전부의 전압 변화량을 측정하고, 이를 기준 전압 변화량으로 설정하는 기준 변화량 설정부; 방전되기 시작하는 상기 충방전부로부터 측정되는 현재 전압 변화량을 측정하는 전압 변화량 측정부; 및 기준 전압 변화량과 현재 전압 변화량을 비교하는 비교부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착 정도 판단부는 비교 결과, 현재 전압 변화량의 감소 속도가 증가하면 입자상 물질이 많이 흡착된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서부는 한 쌍의 맞물림 형상의 전극(Interdigitated Electrode; IDE)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 회로는 전극 저항; 상기 전극 저항에 병렬 연결되는 커패시터; 상기 커패시터에 병렬 연결되는 저항; 상기 저항에 병렬 연결되는 전원; 상기 저항과 전원 사이에 구비되어, 상기 커패시터의 충방전을 제어하는 트랜지스터 스위치; 및 상기 커패시터와 연결되어, 상기 커패시터로부터 수신되는 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(ADC);를 포함한다.
또한, 상기 전극 저항은 한 쌍의 맞물림 형상의 전극의 저항인 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 구동 방법은 센서부에 의해, 배기가스 중 입자상 물질을 검출하는 단계; 전원 공급부에 의해, 충방전부에 전원을 공급하는 단계; 전원 공급 제어부에 의해, 상기 충방전부에 공급되는 전원을 제어하는 단계; 전압 변화량 비교부에 의해, 상기 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교하는 단계; 및 흡착 정보 판단부에 의해, 비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 충방전부에 공급되는 전원을 제어하는 단계는, 상기 충방전부의 전압이 전원의 전압과 동일해질 때까지 전원을 공급하고, 상기 충방전부의 전압과 전원의 전압이 동일해지면 전원 공급을 중단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교하는 단계는, 상기 센서부에 입자상 물질이 흡착되지 않은 경우의 상기 충방전부의 전압 변화량을 측정하고, 이를 기준 전압 변화량으로 설정하는 단계;방전되기 시작하는 상기 충방전부로부터 측정되는 현재 전압 변화량을 측정하는 단계; 및 기준 전압 변화량과 현재 전압 변화량을 비교하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단하는 단계는, 비교 결과, 현재 전압 변화량의 감소 속도가 증가하면 입자상 물질이 많이 흡착된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 장치와 그 구동 방법은 RC 회로의 자체적인 전압강하와 IED와 연결된 RC 회로의 전압강하를 비교하여 흡착된 입자상 물질의 흡착 정도를 판단함으로써, 별도의 증폭기를 채용하지 않고서 ADC(Analog to digital) 기능을 통해 RC회로의 전압측정이 가능하게 되어, 시간 및 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 커패시터를 통해 IED의 저항이 Giga-ohm 정도로 감소하여 수 mV의 전압강하까지 구별함으로써, 수 십초 이내에서도 센서의 신호를 얻을 수 있게 되어 출력 신호의 변화가 없는 구간(Blind Time)을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서의 정면 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서의 후면 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 회로의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 배기배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치에서 입자상 물질의 흡착 정도에 따른 충방전부의 전압 변화량에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
도 7는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 구동 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 출력되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 회로 및 장치와 그 구동 방법에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서의 정면 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서의 후면 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서는 바 형태이되, 글라스 소재 또는 세라믹 소자로 이루어질 수 있다. 바 소재가 글라스 소재 또는 세라믹 소재로 이루어짐은 바의 외부 또는 내부에 적측형으로 도 2에 도시된 바와 같은 히터 패드가 설치되어 배기가스 중 입자상 물질을 연소시킬 수 있음이다. 또한, 바의 일측 단부에는 도 1에 도시된 바와 같은 배기가스 중 입자상 물질을 검출하는 전극이 구비된다. 이때, 센서는 한 쌍의 맞물림 형상의 전극(Interdigitated Electrode; IDE)으로 구성될 수 있다.
도 3는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 배기배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치에서 입자상 물질의 흡착 정도에 따른 충방전부의 전압 변화량에 대한 예시를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치(100)는 크게 센서부(110), 충방전부(120), 전원 공급부(130), 전원 공급 제어부(140), 전압 변화량 비교부(150) 및 흡착 정도 판단부(160)를 포함한다.
센서부(110)는 배기가스 중 입자상 물질을 검출한다.
충방전부(120)는 센서부(110)와 병렬 연결되어 충전 및 방전 동작을 수행한다. 충방전부(120)는 전원 공급부(130)에 의해 전압이 전원의 전압과 동일해질 때까지 충전되고, 전원 공급부(130)에 의해 전압이 전원의 전압과 동일해지면 방전되기 시작한다. 이때, 충방전부(120)는 커패시터로 구성될 수 있다.
전원 공급부(130)는 충방전부(120)에 전원을 공급한다.
전원 공급 제어부(140)는 충방전부(120)에 공급되는 전원을 제어한다. 이때, 전원 공급 제어부(140)는 트랜지스터 스위치로 구성될 수 있다. 따라서, 전원 공급 제어부(140)는 충방전부(120)의 전압이 전원의 전압과 동일해질 때까지 스위치를 단락시켜 전원을 공급하고, 충방전부(120)의 전압과 전원의 전압이 동일해지면 스위치를 개방하여 전원 공급을 중단시킨다.
전압 변화량 비교부(150)는 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교한다.
이를 위해, 전압 변화량 비교부(150)는 기준 변화량 설정부(151), 전압 변화량 측정부(153) 및 비교부(1550)를 포함한다.
기준 변화량 설정부(151)는 센서부(110)에 입자상 물질이 흡착되지 않은 경우의 충방전부(120)의 전압 변화량을 측정하고, 이를 기준 전압 변화량으로 설정한다.
전압 변화량 측정부(153)는 방전되기 시작하는 충방전부(120)로부터 측정되는 현재 전압 변화량을 측정한다.
비교부(155)는 기준 전압 변화량과 현재 전압 변화량을 비교한다.
이때, 전원 변화량 비교부(150)는 아날로그 디지털 변환부로 구성될 수 있다.
흡착 정도 판단부(160)는 비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단한다. 흡착 정보 판단부(160)는 비교 결과, 현재 전압 변화량의 감소 속도가 증가하면 입자상 물질이 많이 흡착된 것으로 판단한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 흡착 정도에 따라 충방전부(120)의 전압을 다르게 변화한다. 여기서, 도 5는 흡착 정도에 따른 저항이 100㏁인 경우 충방전부(120)의 전압의 변화량이고, 도 6은 흡착 정도에 따른 저항이 50㏁인 경우 충방전부(120)의 전압의 변화량이다. 즉, 흡착 정도가 높은 경우에 누설전류가 증가하여, 충방전부(120)에서 방전 후 전압변동이 거의 없을 때 측정된 전압의 감소량이 증가하고, 일정시간 동안 감소 속도도 증가한다.
한편, 흡착 정보 판단부(160)는 판단 결과를 외부에 표시하는 표시부(도면 미도시)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 회로의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 회로는 전극 저항(10), 전극 저항(10)에 병렬 연결되는 커패시터(20), 커패시터(20)에 병렬 연결되는 저항(30), 저항(30)에 병렬 연결되는 전원(40), 저항(30)과 전원(40) 사이에 구비되어, 커패시터(20)의 충방전을 제어하는 트랜지스터 스위치(50) 및 커패시터(20)와 연결되어, 커패시터(20)로부터 수신되는 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(60)를 포함하여 구성된다.
도 7은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 구동 방법을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치의 구동 방법은 먼저, 센서부에 의해, 배기가스 중 입자상 물질을 검출한다(S100).
다음, 전원 공급부에 의해, 충방전부에 전원을 공급한다(S200).
다음, 전원 공급 제어부에 의해, 충방전부에 공급되는 전원을 제어한다(S300). S300 단계는 충방전부의 전압이 전원의 전압과 동일해질 때까지 전원을 공급하고, 충방전부의 전압과 전원의 전압이 동일해지면 전원 공급을 중단한다.
다음, 전압 변화량 비교부에 의해, 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교한다(S400). S400 단계는 센서부에 입자상 물질이 흡착되지 않은 경우의 충방전부의 전압 변화량을 측정하고, 이를 기준 전압 변화량으로 설정하고, 방전되기 시작하는 충방전부로부터 측정되는 현재 전압 변화량을 측정하고, 기준 전압 변화량과 현재 전압 변화량을 비교한다.
다음, 흡착 정보 판단부에 의해, 비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단한다(S500). S500 단계는 비교 결과, 현재 전압 변화량의 감소 속도가 증가하면 입자상 물질이 많이 흡착된 것으로 판단한다.
이처럼, 본 발명에 의한 배기가스 중 입자상 물질 검침 장치 및 그 방법은 RC 회로의 자체적인 전압강하와 IED와 연결된 RC 회로의 전압강하를 비교하여 흡착된 입자상 물질의 흡착 정도를 판단함으로써, 별도의 증폭기를 채용하지 않고서 ADC(Analog to digital) 기능을 통해 RC회로의 전압측정이 가능하게 되어, 시간 및 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 커패시터를 통해 IED의 저항이 Giga-ohm 정도로 감소하여 수 mV의 전압강하까지 구별함으로써, 수 십초 이내에서도 센서의 신호를 얻을 수 있게 되어 출력 신호의 변화가 없는 구간(Blind Time)을 단축시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
100 : 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치
110 : 센서부
120 : 충방전부
130 : 전원 공급부
140 : 전원 공급 제어부
150 : 전압 변화량 비교부
160 : 흡착 정보 판단부

Claims (11)

  1. 배기가스 중 입자상 물질을 검출하는 센서부;
    상기 센서부와 병렬 연결되어 충전 및 방전 동작을 수행하기 위한 충방전부;
    상기 충방전부에 전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 충방전부에 공급되는 전원을 제어하는 전원 공급 제어부;
    상기 충방전부의 방전 시 측정되는 전압 변화량과 기 설정된 기준 변화량을 비교하는 전압 변화량 비교부; 및
    비교 결과에 따라, 검출된 배기가스 입자상 물질의 흡착 정도를 판단하는 흡착 정도 판단부를 포함하고,
    상기 센서부는
    전극 저항;
    상기 전극 저항에 병렬 연결되는 커패시터;
    상기 커패시터에 병렬 연결되는 저항;
    상기 저항에 병렬 연결되는 전원;
    상기 저항과 전원 사이에 구비되어, 상기 커패시터의 충방전을 제어하는 트랜지스터 스위치; 및
    상기 커패시터와 연결되어, 상기 커패시터로부터 수신되는 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(ADC);를 포함하는 회로로 구성되고,
    상기 흡착 정도 판단부는 비교 결과, 기준 변화량에 비해 현재 전압 변화량의 감소 속도가 일정시간 동안 증가하고, 상기 기준변화량에 비해 방전 후 전압변동이 없을 때 측정된 상기 현재 전압변화량까지의 전압 감소량도 증가하면 입자상 물질 흡착으로 인한 누설전류가 증가한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전부는 상기 전원 공급부에 의해 전압이 전원의 전압과 동일해질 때까지 충전되고, 상기 전원 공급부에 의해 전압이 전원의 전압과 동일해지면 방전되기 시작하는 것을 특징으로 하는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변화량 비교부는,
    상기 센서부에 입자상 물질이 흡착되지 않은 경우의 상기 충방전부의 전압 변화량을 측정하고, 이를 기준 전압 변화량으로 설정하는 기준 변화량 설정부;
    방전되기 시작하는 상기 충방전부로부터 측정되는 현재 전압 변화량을 측정하는 전압 변화량 측정부; 및
    기준 전압 변화량과 현재 전압 변화량을 비교하는 비교부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 한 쌍의 맞물림 형상의 전극(Interdigitated Electrode; IDE)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 중 입자상 물질 검침 센서 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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  10. 삭제
  11. 삭제
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