KR101833889B1 - 고장진단 구동 회로를 내재한 전기화학식 가스센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고장진단 구동회로를 내재한 전기화학식 가스센서 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 가스센서 응용기기에 장착되어 사용되는 전기화학식 가스센서의 정상 작동 여부를 주기적으로 확인하여 사용자에게 센서의 교체 여부를 알려줄 수 있는 가스센서 고장진단 구동회로 및 프로그램 구현 방법에 관한 것이다. 본 고안은 센서 구동회로에서 일정 바이어스 인가에 따른 센서 출력값 변화를 모니터링 하여 센서 동작의 정상 유무를 쉽게 판단할 수 있는 효과를 나타낸다.
이러한 방식의 회로 및 프로그램 구현은 가스 검지기에 사용되는 전기화학식 가스센서의 고장 유무를 사용자가 쉽게 인지하여 기기의 오작동 없이 정상적인 상태의 활용이 가능하게 한다.

Description

고장진단 구동 회로를 내재한 전기화학식 가스센서{EC Gas Sensor with Sensor diagnoses Circuit}

본 발명은 고장 진단 기능을 갖는 전기화학식 가스센서에 관한 것으로서 보다 상세하게는 전기화학식 가스센서의 수명 노화에 따른 가스 감지 불능을 감시하여 센서 고장에 대한 신호를 가스 검지기 및 다양한 가스센서 응용기기에 전달하여 고장 난 센서의 교체를 유도할 수 있도록 하는 전기화학식 가스센서의 제조에 관한 것이다.

본 발명의 선행기술로는 감지전극, 전해질, 기준전극으로 구성되고, 양전극사이에 생기는 전압(기전력)으로부터 Nernst 식에 의해 화학원소의 양을 측정하는 전기 화학식 기전력형 센서에서 제조상 불가피하게 발생되는 감지전극과 기준전극의 불균일성 때문에, 센서마다 약간씩 서로 다른 초기값을 보이고 이 값은 온도에 따라서도 변하게 되는 문제를 해결하기 위한 발명이 있다.

이 발명에서는 센서 소자마다 보이는 서로 다른 불균일 특성을 제조시 기준온도에서 측정된 한 개의 대표 기준 초기 값으로부터 센서의 측정온도 변화에 따른 불균일 특성의 변화를 예측하고 이 대표 기준 초기값을 초기에 측정장치에 입력시켜 자동적으로 측정온도에 따른 초기값의 변화를 보정해주도록 함으로써 정확한 화학원소의 양을 얻도록 하는 것이다.

또 다른 선행기술로는 유기 오염물 분자 센서(10)는 고상 산소 음이온 도체(12), 모니터링 환경(18)에 노출시키기 위한 도체의 제 1 표면에 형성된 측정 전극(14), 및 기준 환경(20)에 노출시키기 위한 도체의 제 2 표면에 형성된 기준 전극(16)을 갖는 전기화학적 전지를 포함하고, 전극은 산소의 해리적 흡수를 촉진시키는 물질로부터 형성되거나 또는 상기 물질로 코팅된다. 수단(32)은 전

극들 사이의 전위차를 모니터링하기 위해 제공되는 것으로서, 모니터링 환경에서 유기 오염물 분자가 없는 경우 전극들 사이의 전위차를 기본 값(Vb)이라고 하고, 유기 오염물 분자가 모니터링 환경 내로 도입되는 경우 전위차를 모니터링 환경에서 유기 오염물 분자와 산소의 반응에 기인하는 측정 값(Vm)이라고 할 때, 식 Vm - Vb가 모니터링 환경 내로 도입된 유기오염물 분자의 양을 측정하는 기술이다.

이러한 기술들은 모두 센서의 측정과 보정에 관한 것으로 이 출원발명에서 해결하고자하는 센서의 고장진단방법을 제시하지 못하고 있다.

공개특허공보 10-2005-004648 공개특허공보 10-2006-0131804

전기화학식 가스센서는 전극 및 전해질로 구성되어 있으며, 지속적인 사용과정에서 전극 내 촉매물질의 피독 및 전해질의 증발에 의해 센서 출력값의 저하 및 고장이 발생하게 된다. 대부분의 유독가스 감지를 위한 전기화학식 가스센서는 감지 가스가 없는 환경에서 일정 수준의 전류 출력 값을 나타내므로 센서의 감도가 저하되거나, 고장 발생을 확인할 방법이 사용 중에는 없다.

사용을 중단하고 도 6과 같이 표준가스에 센서를 노출 시켜 센서 출력 값을 확인하는 방법 외에는 센서의 고장 유, 무를 확인할 수 있는 방법이 없다. 그러나 이러한 방법으로도 도 6에서 확인하는 것과 같이 센서의 감도가 저하된 경우에 정상인 센서와 그 측정값을 비교하지 않고서는 감도저하 센서를 찾는 것도 쉽지않다.

따라서, 가스센서 응용기기의 사용 안정성 확보를 위해서는 센서의 고장을 사용 중에 알아내기 위한 고장진단 방법에 대한 연구가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여,

전기화학식 가스센서 구동회로 작동을 위한 외부 전원유입과 센서 출력값을 외부로 보내기 위한 단자부(101); 및

3전극 전기화학식 가스 센서의 작동을 위한 대응전극과 기준전극 간의 전위를 유지하기 위한 전위 가변기(potentistat) 회로부(102); 및

전기화학식 가스센서의 고장 유무를 판단할 수 있는 제어부(103)로 구성된 것을 특징으로 하는 고장진단 회로를 내재한 전기화학식 가스센서를 제공한다.

또한, 상기 제어부(103)는 마이컴을 포함하며, 상기 마이컴은 RAM, FLASH Memory, 아날로그 디지털 컨버터, 연산기, 내부 카운터, 입출력포트 등 일반적인 원칩마이크로프로세서를 포함하며, 내장된 프로그램에 의하여 외부 출력신호에 대응하여 동작을 한다.

상기 마이컴으로 구동되는 제어부(103)는 전위 가변기 회로부(102)의 기준전압1(Vref1)과 센서 출력값 증폭을 위한 회로부(111)의 기준전압2(Vref 2) 제어를 통해 전기화학식 가스센서의 고장진단을 수행한다.

상기 고장진단은 상기 기준전압1과 기준전압2의 전위차를 상기 마이컴과 연결된 바이어스(bias)인가 회로부(110)에 상기 마이컴 내부의 타이머제어회로와 외부에 구성된 전압 설정회로에 의하여 바이어스 인가 시간을 5ms ~ 200ms 범위에서, 전압은 ±50~300mV 사이의 전압 상기 기준전압2에 바이어스 전압을 가하고, 센서의 출력 값을 상기 센서 출력값 증폭을 위한 회로부(111)에서 상기 마이컴으로 일력받아 내부 아날로그 디지털 신호변환을 통하여 전압값으로 읽어 상기 센서의 고장을 진단할 수 있다.

상기 바이어스 인가 시간은 마이컴의 내부 타이머를 제어함으로써, 5ms ~ 200ms 범위로 변환하며, 바이어스 전압조절부(120)에서 V+ 전압과 V- 전압을 볼륨 저항(10K오옴)으로 전압 분배하여 ±50~300mV 사이의 바이어스 전압을 설정할 수 있도록 구성하였다.

또한, 상기 마이컴의 상기 바이어스(bios)인가 회로부(110)의 신호에 의하여, 상기 기준전압2(Vref 2)에 그라운드(GND) 또는 상기 바이어스 전압을 공급할 수 있도록 제어한다.

상기 고장 진단의 결과 고장으로 판단되는 경우 상기 마이컴과 연결된 출력부(112)의 신호를 0 또는 V+ 또는 V-로 출력함으로써 센서의 출력을 읽어들이는 장치에서 상기 신호가 입력되는 경우 센서의 고장임을 알 수 있도록 하며, 상기 출력부에 부저 또는 LED 등을 설치함으로써 센서의 고장을 알릴 수도 있다.

본 발명의 고장 진단은 도 5의 센서 출력값의 변화를 보고 판단하며, 상기 기준전압2에 인가되는 바이어스 전압 10ms, 300mV에 대하여 증폭 전의 출력전류가 도 5의 그림으로부터 20uA 이상이면 감도저하 센서와 정상센서를 구분할 수 있다.

도 2의 상기 센서 출력값 증폭을 위한 회로부(111)에서는 전류를 전압으로 바꾸고 바뀌어진 전압을 1000배 증폭하여 사용한다. 즉, 20uA의 전류는 20mV의 전압으로 증폭변환된다. 보통의 마이컴에 내장된 아날로그 디지털 신호변환기는 전원전압에 대하여 10bit 정도의 해상도를 가지므로 5V 전원을 기준으로 디지털 변화된 신호는 약 5mV를 구분할 수 있기 때문에 도 5에서 감도 저하된 신호(10uA)와 디지털 변화된 신호크기로 20uA의 신호레벨은 2이상의 값 차이가 난다. 하지만, 상기 도 5에서 최고치는 90uA 이상이므로 정상의 기준 값을 50uA 로 한다면 신호 레벨 값의 차이는 8 이상으로 정상센서와 감도저하센서를 구분할 수 있다.

본 발명의 고장 진단방법은, 상기의 고장진단 구동 회로를 내재한 전기화학식 가스센서를 이용한 전기화학식 가스센서의 고장진단방법에 있어서,

전원이 인가되면, 상기 마이컴에서 타이머 값을 0으로 설정하여 동작타이머가 시작되고, 타이머가 0 인 경우 상기 전기화학식 가스센서의 고장진단 모드로 진입하는 고장진단 진입단계(S1); 및

상기 바이어스(bios)인가 회로부에 상기 마이컴 내부에 설정된 시간동안 전압을 인가하는 바이어스전압인가단계(S2); 및

상기 센서 출력값 증폭을 위한 회로부의 신호를 상기 마이컴에서 입력받아 상기 마이컴 내부의 기준 전압과 비교하는 센서출력값비교단계(S3); 및

상기 센서출력값비교단계에서 센서 출력값이 상기 마이컴의 기준 전압과 비교하여 그 이상인 경우 센서의 고장이 없는 것이어서 센서 고장진단 모드를 빠져나가 가스측정을 하는 가스측정모드진입단계(S4); 및

상기 센서출력값비교단계에서 센서 출력값이 상기 마이컴의 기준 전압과 비교하여 그 이하인 경우 센서의 고장으로 판단하여, 상기 마이컴의 출력부(112)에 고장신호를 출력하는 고장신호출력 및 가스측정중단단계(S5); 및

상기 가스측정모드진입단계(S4) 직전에 상기 고장진단 진입단계(S1)의 타이머 설정값을 1시간, 1일 또는 1달 등으로 설정하여 주기적으로 고장진단 진압단계(S1)를 수행할 수 있도록 설정하는 고장모드 진입타이머 설정단계(T1); 및

상기 가스측정모드진입단계(S4) 후에 가스측정단계(S6)에는 상기 타이머 값을 주기별로 증가시키며, 상기 고장진입단계를 위하여 설정된 타이머 설정값과 주기별로 비교하여 타이머 설정 값에 타이머 값이 일치하는 경우 상기 고장진단 진입단계(S1)로 진입하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고장진단 구동 회로를 내재한 전기화학식 가스센서를 이용한 전기화학식 가스센서의 고장진단방법

상술한 바와 같이 본 발명의 고장진단 기능 회로를 내재한 전기화학식 가스 센서의 제조 방법에 의하면, 전기화학식 가스센서를 활용하는 가스센서 응용기기에서 단순한 전원 제어 방식을 통해 가스센서의 고장 유, 무를 판단할 수 있으며, 가스 센서에서 고장에 대한 신호출력을 감지하여 가스센서 응용기기 사용자가 센서를 교체할 수 있도록 유도하여 지속적으로 가스 측정기기의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점을 가진다.

도 1 본 발명의 고장신호 측정 순서도
도 2 본 발명의 전체 회로 구성도
도 3 전기화학식 가스센서의 전해질 주입량에 따른 바이어스 인가 시 센서 출력값 변화도
도 4 전기화학식 가스센서의 전해질 주입량에 따른 바이어스 인가 시 센서 출력값 변화 반복실험 그래프
도 5 본 발명의 고장진단 구동회로를 내재한 전기화학식 가스센서의 고장 유형 별 센서 출력값 그래프
(a) 정상센서, (b) 감도저하센서, (c) 고장센서
도 6 일반적인 표준가스를 이용한 센서의 센서 고장 성능 검사그래프
(a) 정상센서, (b) 감도저하센서, (c) 고장센서

전기화학식 가스센서는 감지하고자 하는 가스의 산화환원 반응에 의해 동작하는 센서로서, 대기오염 및 산업현장의 환경오염에 밀접한 관련이 있는 이산화탄소(CO), 황화수소(H2S), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2) 가스와 같은 유독성 가스를 감지하는데 있어 민감도(Sensitivity), 선택성(Selectivity), 안정성(Stability), 재현성(Repeatability) 등이 우수한 특성을 보여주고 있다. 더불어 전기화학식 가스 센서는 저 전력으로 구동이 가능한 장점을 지니고 있다.

전기화학식 가스 센서(EC, Electro Chemical)는 일반적으로 외부 공기 내 감지하고자 하는 가스의 센서 내 유입량을 조절하여 출력 전류값을 결정하는 확산 유입구 부분과 감지하고자 하는 가스를 선택적으로 산화환원 반응하여 가스 농도에 비례하는 전류를 형성시켜주는 전극(작용전극(Working electrode), 대응전극(Counter electrode) 및 작용전극에 일정한 전위를 유지시켜주는 역할을 하는 기준전극(Reference electrode)) 그리고 산화환원 반응 시 발생되는 이온의 이동 매개체이며 전극의 전위 결정에 영향을 주는 전해질로 구성되어 있다.

유독가스 센서 중 전기화학식 NO 가스센서의 원리는 외부에서 확산 유입되는 NO가스가 작용전극에서 식(1)과 같이 분해되어 수소이온(H+)를 형성하고 이것이 전해질을 통해 이동하여 대응전극에서 식(2)와 같이 H2O를 형성하게 되며 이때 발생된 전자가 NO 가스 농도에 비례하는 형태로 전류값을 나타낸다.

NO + 2H2O → HNO3 + 3H+ + 3e- (1)

3H+ + 2O2 + 3e- → 2H2O (2)

또한, 작용전극에서 환원 반응이 일어나는 NO2 가스센서는 작용전극에서 식(3)과 같이 환원 반응이 일어나고, 대응전극에서 식(4)와 같이 산화 반응을 일으켜 NO2 가스 농도에 비례하는 형태의 전류값을 얻게 되며, 환원성 가스인 NO2 가스센서는 Negative한 출력 형태를 나타낸다.

NO2 + 2H+ + 2e- → NO + H2O (3)

H2O → 2H+ + O2+2e- (4)

전기화학식 가스센서에서 감지능은 수 ㎁/ppm ~ 수㎂/ppm 수준으로 측정범위 내에서 발생되는 전류량은 상당히 낮은 수준이다. 이와 같이 발생된 전류 출력값을 활용하여 가스센서 응용기기에 사용하기 위해서는 별도의 출력값 증폭을 위한 센서 구동회로가 필요로 하게 된다.

전기화학식 가스센서의 구동회로는 연산증폭기(OP-Amp, Operational amplifier)를 사용하여 가스센서 출력값을 증폭하는 전류 측정회로부와 가스센서가 감지가스에 노출 시 환원반응에 의한 대응전극의 전위 변화를 일정하게 유지하기 위한 전위 가변기(Potentiostat) 회로 부로 구성된다.

일산화질소(NO) 가스 센서와 같이 일부 센서들은 감지가스의 효율적인 산화반응을 유도하기 위해 Potentiostat 회로 연산증폭기의 기준전압과 센서 출력값 증폭을 위한 회로 연산증폭기의 기준전압 간의 전위차를 200~300mV 바이어스를 인가하여 사용하기도 한다.

대부분의 전기화학식 가스센서는 센서 내부에 센서 구동회로를 포함하고 있지 않으며, 가스센서 응용기기에 적용 시 별도로 센서 구동 회로부를 구성하여 활용되고 있다.

전기화학식 가스센서는 전극 및 전해질로 구성되어 있으며, 지속적인 사용과정에서 전극 내 촉매물질의 피독 및 전해질의 증발에 의해 센서 출력값의 저하 및 고장이 발생하게 된다. 대부분의 유독가스 감지를 위한 전기화학식 가스센서는 감지가스가 없는 환경에서 일정 수준의 전류 출력값을 나타낸다. 따라서, 센서의 감도가 저하되거나, 고장을 사용현장에서 발견할 수 없는 단점이 있다.

측정 가스가 존재하는 환경에서 2개 상의 센서의 출력값을 비교하거나, 주기 적으로 표준가스에 노출 시켜 센서 출력값을 확인하는 방법 외에는 센서의 고장 유, 무를 확인할 수 있는 방법이 없다.

도 6은 표준가스에 노출시킨 (a) 정상센서, (b) 감도저하 센서, ( c) 고장센서의 출력값 그래프이다. 완전히 고장난 센서의 경우 쉽게 찾아낼 수 있으나, (b)와 같은 감도저하 센서는 (a) 정상센서와 센서 신호의 변화율에 차이가 있을 뿐이어서 전문가가 측정 데이터를 상세히 살펴보지 않고는 표준가스를 사용하여도 감도저하 센서를 찾아내기 쉽지 않은 어려움이 있다.

그러므로 가스센서 응용기기의 안정성 확보를 위해서는 센서의 고장을 알아내기 위한 고장진단 방법에 대한 연구가 필요하다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 전기화학식 가스센서 회로부에서 고장진단을 위한 bias 인가회로, 고장진단 유무 판단을 위한 데이터 처리부 및 외부 가스센서 응용기기에서 센서 고장진단 신호를 얻을 수 있는 출력부를 구성하는 고장진단 기능을 갖는 전기화학식 가스센서 구성회로도를 도 2에 제시하였다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되어지는 것이다. 도면에서 가스센서 내의 각 부품들은 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.

본 발명에 따른 전기화학센서의 고장진단제어방법이 도 1에 도시되어 있다.

본 발명은 마이컴 제어되는 전기화학식 가스센서 구동회로부에 있어, 상기 전기화학실 가스센서에 외부 전원이 인가되면, 상기 마이컴에서 상기 전기화학센서의 고장진단제어방법이 실행되어 전기화학 센서 고장 유, 무 판단을 위한 bias가 인가되는 바이오스인가단계(S1); 및 상기 전기화학 센서 출력 값을 검출하는 센서신호 검출단계(S2); 및 상기 검출단계에서 검출한 센서의 출력값으로부터 전기화학 센서의 정상 유, 무를 판단하는 센서고장판단단계(S3), 상기 센서고장판단단계에서 고장으로 판단된 경우 상기 마이컴의 센서고장출력부에서 상기 전기화학식 센서의 최대값 출력 이상의 값을 출력하여 고장을 알리거나, 0V 또는 상기 외부전원의 인가전압과 같은 전압을 출력하고 센서 고장을 출력하는 센서고장출력단계(S4);

및 상기 세서고장판단단계에서 센서가 정상으로 판단된 경우 상기 마이컴의 센서고장출력부를 비활성하여 상기 전기화학센서의 출력이 정상적으로 출력될 수 있도록 하는 센서출력단계(S5);를 구비하는 전기화학센서의 고장진단제어방법이다.

전기화학식 가스센서의 고장 진단 유, 무 판단은 외부 가스센서 응용기기에서 센서로 공급되는 전원을 차단/인가하는 과정을 거쳐 실행되게 되므로, 가스 응용기기 개발자가 원하는 시점에 원활하게 활용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 고장진단 기능 회로를 포함하는 전기화학식 가스센서의 회로 구성을 나타내고 있다.

전기화학식 가스센서 구동회로 작동을 위한 외부 전원유입, 센서 출력값을 외부로 보내기 위한 단자부(101)와 3전극 전기화학식 가스센서의 안정적인 작동을 위한 대응전극과 기준전극간의 전위를 유지하기 위한 전위 가변기(potentistat) 회로부(102) 및 전기화학식 가스센서의 고장 유무를 판단할 수 있는 제어부(103)로 구성되어있다.

마이컴으로 구동되는 제어부(103)는 전위 가변기 회로부(102)의 기준전압(Vref1)과 센서 출력값 증폭을 위한 회로부(111)의 기준전압(Vref 2) 제어를 통해 전기화학식 고장진단을 위한 bias 인가 회로부(110) 및 고장 진단 시 고장신호 출력을 위한 출력부(112)로 구성되어 전기화학식 가스센서 고장진단을 위한 기능 구현 시 증폭된 가스센서 출력값을 확인하여 일정 기준이내에 미달하는 경우 센서 고장으로 고장에 해당하는 센서 출력을 나타내어 사용자가 가스센서 응용기기의 센서를 교체하여 사용하도록 유도할 수 있다.

상기 bios 인가 회로부(110)는 상기 마이컴 내부의 타이머제어회로와 연동되어 바이어스 인가 시간을 5ms ~ 200ms 범위로 변환할 수 있으며, 바이어스 전압조절부(120)에서 V+ 전압과 V- 전압을 볼륨 저항(10K오옴)으로 전압 분배하여 ±50~300mV 사이의 바이어스 전압을 설정할 수 있도록 구성하였으며, 상기 마이컴의 상기 bios 인가 회로부(110)의 신호에 의하여 상기 기준전압(Vref 2)에 그라운드(GND) 또는 상기 바이어스 전압을 공급할 수 있도록 한다.

본 발명의 고장진단 방법은 상기 전기화학식 가스센서에 순간적인 전위차를 발생시키면, 도 5와 같은 센서 출력 값의 변화를 일으킬 수 있다. 대부분의 전기화학식 가스센서의 고장은 전극의 노후화 및 전해질 증발에 의해 발생되는 센서 내부 단락 및 센서 감도 변화 저하이다. 따라서, 상기와 같은 순간적인 전위를 센서에 인가한 경우 센서 내부 단락 및 센서 감도 변화 저하 센서는 센서의 출력 값이 변화되지 않거나 작은 변화를 보이는 특성이 있다.

도 3과 도 4는 이러한 현상을 실험에 의하여 보여주고 있다.

도 3은 전기화학식 가스센서 내 전해질의 주입량을 0, 0.5㎖, 1.0㎖, 1.5㎖로 조절하여 센서 제조 후 바이어스 인가 시 센서 출력값 변화를 관찰한 것으로서, 전기화학식 가스센서 내 전해질 증발에 따른 센서 고장 발생 시 나타날 수 있는 순간적인 전위차 발생에 따른 센서 출력값 변화를 확인하고자 하였다. 실험 결과 전해질 주입량이 적은 센서 일수록 전위차 발생 시 센서 출력값의 변화가 적게 나타났다. 본 발명은 이러한 바이어스 인가에 따른 센서 출력값의 특성을 이용하여 전기화학식 가스센서의 고장 진단방법을 개발하였다.

전위 가변기 회로부(110) 기준전압(Vref 1)과 센서 출력 증폭 회로부(111)의 기준전압(Vref 2)간에 가해지는 bias voltage는 ±50~300mV 범위 이내에서 인가하며, bias voltage 인가 시간은 5ms ~ 200ms 범위 이내에서 인가한다. 가해지는 bias voltage의 크기 및 시간은 작용전극(Working electrode)에서 발생되는 전류 출력값의 증폭을 결정하는 저항값에 따라 적절하게 적용 가능하며, 마이컴 내에 AD변환기의 사용 범위내에서 결정하게 된다.

전기화학식 가스센서의 고장진단을 위한 동작은 단자부(101)의 전원 차단 후 인가 과정을 통해 마이컴의 센서 bias voltage인가, 센서 출력값 검출 및 센서 고장 여부 판단 과정을 통해 구현 할 수 있으며, 가스센서 응용기기의 회로 내에서 전기화학식 가스센서에 공급되는 외부전원의 제어를 통해 구현할 수 있다.

마이컴 제어를 통해 전기화학식 가스센서의 고장진단을 위한 bias voltage 인가 후 센서 출력 증폭부(111)로부터 얻어진 신호는 도 4에 나타낸 것과 같이 유형에 따라 센서의 고장을 판단할 수 있으며, 센서 출력값의 크기는 bias voltage의 크기, bias voltage인가 시간 및 센서 출력값 증폭 회로부의 R값을 제어함으로써 조절 할 수 있다.

센서 출력값의 유형이 고장유형에 해당 될 경우, 마이컴 제어를 통해 고장신호 출력을 위한 출력부(112)를 통해 전기화학식 가스센서 내 단자부(101)의 V out을 통해 일정 전압의 출력값을 표출하도록 제어하여 고장신호를 출력할 수 있다.

또한, 상기 출력부(112)의 출력은 별도로 또는 동시에 Wifi, 유선랜 및 LTE 통신을 할 수 있는 장치의 입력과 연결되어 센서의 고장을 외부장치에 알릴 수 있는 것을 특징으로한다. 상기 외부장치로는 클라우드서버, 사용자 유무선 단말기 등이 될 수 있으며, 상기 출력부(112)는 1선으로 출력만 구성된 직렬통신 방식으로 사용자 센서의 MAC 어드레스나, 플래시메모리 등에 제작된 인식번호 등을 동시에 전송함으로써 고장의 위치와 장비를 확인할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한, 상기 마이컴에서 센서의 입력값을 디지털로 변환된 신호를 직렬통신신호로 변환하여 마이컴에서 센서의 신호가 측정 및 디지털로변환하여 디지털출력을 항시제공할 수도 있다.

위와 같이 구성된 전기화학식 가스센서는 센서 내부 회로에 대응전극과 기준전극간의 전위를 유지하기 위한 전위 가변기(potentistat) 회로부(102)를 구성하고 있으며, 단자부(101)내의 Vout에서는 별도의 증폭 없이 외부 감지가스 농도에 비례하는 전류 출력이 나오므로, 가스센서 응용기기에서는 별도의 센서 출력값 증폭을 위한 회로를 구성하여 사용하여야 한다.

감지가스의 효율적인 산화반응을 유도하기 위해 Potentiostat 회로 연산증폭기의 기준전압(Vref 1)과 센서 출력값 증폭을 위한 회로 연산증폭기의 기준전압(Vref 2) 간의 전위차를 200~300mV 바이어스를 인가하여 사용하는 일부 전기화학식 가스센서들은 가스센서 응용기기에 처음 장착 시 센서 안정화를 위한 시간이 전원 인가 후 최대 2~3일까지 소요된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전기화학식 가스센서 내부 회로에 코인 배터리를 활용하여 가스센서가 가스센서 응용기기에 장착되기 전에도 Vref 1과 Vref 2 간에 일정 전위차를 유지하고, 가스센서 응용기기의 외부 전원이 센서 내부로 인가 시 배터리 전원을 차단하고, 가스센서 응용기기의 전원을 사용함으로써 전기화학식 가스센서의 빠른 안정화 시간을 유도할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 고장진단 기능 회로를 내재한 전기화학식 가스센서의 제조 방법에 의하면, 전기화학식 가스센서를 활용하는 가스센서 응용기기에서 단순한 전원 제어 방식을 통해 가스센서의 고장 유, 무를 판단할 수 있으며, 가스센서에서 고장에 대한 신호출력을 감지하여 가스센서 응용기기 사용자가 센서를 교체할 수 있도록 유도하여 지속적으로 가스 측정기기의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점을 가진다.

101 : 가스센서 단자 110 : Bias Votage 인가 회로
102 : 전위 가변 회로 111 : 가스센서 출력신호 증폭 회로
103 : 고장 진단 판단 제어부 112 : 고장신호 출력부
120 : 바이어스 전압조절부

Claims (4)

1. 전기화학식 가스센서 구동회로 작동을 위한 외부 전원유입과 센서 출력값을 외부로 보내기 위한 단자부(101); 및 3전극 전기화학식 가스 센서의 작동을 위한 대응전극과 기준전극 간의 전위를 유지하기 위한 전위 가변기(potentistat) 회로부(102); 및 전기화학식 가스센서의 고장 유무를 판단할 수 있는 제어부(103);
   상기 제어부(103)는 마이컴을 포함하며, 상기 마이컴으로 구동되는 제어부(103)는 전위 가변기 회로부(102)의 기준전압1(Vref1)과 센서 출력값 증폭을 위한 회로부(111)의 기준전압2(Vref 2) 제어를 통해 전기화학식 가스센서의 고장진단을 하며,
   상기 고장진단은 상기 기준전압1과 기준전압2의 전위차를 상기 마이컴과 연결된 바이어스(bias)인가 회로부(110)에 상기 마이컴 내부의 타이머제어회로와 외부에 구성된 전압 설정회로에 의하여 바이어스 인가 시간을 5ms ~ 200ms 범위에서, 전압은 ±50~300mV 사이의 전압으로 상기 기준전압2에 바이어스 전압을 가하고, 센서의 출력 값을 상기 센서 출력값 증폭을 위한 회로부(111)에서 상기 마이컴으로 입력받아 내부 아날로그 디지털 신호변환을 통하여 전압 값으로 읽어 상기 센서의 고장진단을 하는 것을 특징으로 하는 고장진단 회로를 내재한 전기화학식 가스센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 바이어스인가 시간은 10ms, 전압은 300mV인 것을 특징으로 하는 고장진단 회로를 내재한 전기화학식 가스센서.
3. 삭제
4. 삭제

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