KR102025253B1 - 온도 외란에 강인한 압력 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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노바센(주)
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Abstract

본 발명은 와전류형 압력센서의 검출 신호에서 압력성분과 온도성분을 분리하여 급격한 온도변화가 발생되어도 정확하게 압력을 계측할 수 있는 압력 검출 시스템에 관한 기술로서, 하우징과, 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과, 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 정전류를 인가받는 솔레노이드코일을 포함하는 압력센서, 솔레노이드코일의 임피던스 변화 신호를 검출하는 전압검출부, 및 전압검출부에서 검출된 임피던스 변화 신호에서 압력성분 및 온도성분을 분리하는 신호처리부를 포함한다.

Description

온도 외란에 강인한 압력 검출 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE DETECTION WITH TEMPERATURE DISTURBANCE IMMUNITY}
본 발명은 온도 외란에 강인한 압력 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 와전류형 압력센서의 검출 신호에서 압력성분과 온도성분을 분리하여 급격한 온도변화가 발생되어도 정확하게 압력을 계측할 수 있는 압력 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
압력센서는 선박, 자동차, 화학설비, 반도체 제조설비 등에서 유체가 통과하는 유로 또는 밸브측에 설치되어 유체의 압력을 측정하는 데 주로 많이 이용되며, 예컨대 선박이나 자동차 엔진의 실린더 압력, 연료분사 시스템의 압력, 연료전지 차량의 수소가스 또는 공기의 압력, 소음기 내의 배기가스 압력, 그외 기타 일반 산업용 압력계 등과 같이 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력 범위를 고정밀도로 측정하는 데 사용된다.
수소연료전지 자동차의 수소탱크압력 측정을 위한 초고압 압력센서의 경우 수소 충전 및 방전 시 측정부에서 순간적으로 급격한 온도 변화(섭씨 영하 40도 내지 영상 90도)가 발생한다. 이때, 압력센서는 급격한 온도 변환에 의해 오차가 크게 발생하는 문제가 발생된다.
종래 압력센서는 온도외란에 의한 오차를 보정하기 위해, 온도센서(써미스터 등)를 내장하고 측정된 온도정보를 압력출력의 보정에 활용(전자회로 or S/W)하여 대처하고 있다. 하지만, 온도센서의 구동속도(시정수)는 압력센서의 구동속도 보다 늦어 수소탱크와 같이 단시간 내 급격한 온도변화가 나타나는 환경에서는 오차보정 효과가 미비하여 적용에 제한이 있는 상태이다
등록특허공보 제10-1263481호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 와전류형 압력센서의 검출 신호에서 압력성분과 온도성분을 분리하여 급격한 온도변화가 발생되어도 정확하게 압력을 계측할 수 있는 압력 검출 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 외란에 강인한 압력 검출 시스템은, 하우징과, 상기 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과, 상기 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 정전류를 인가받는 솔레노이드코일을 포함하는 압력센서; 상기 솔레노이드코일의 임피던스 변화 신호를 검출하는 전압검출부; 및 상기 전압검출부에서 검출된 임피던스 변화 신호에서 압력성분 및 온도성분을 분리하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 임피던스 변화 신호에 대응하는 임피던스 평면 다이어그램을 상기 온도성분의 벡터가 x축과 평행되게 축회전하여, 상기 압력성분이 y축과 나란하게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다이어프램과 상기 솔레노이드코일의 이격거리(offset)는 상기 임피던스 평면 다이어그램의 압력성분의 가용구간 내에서 동작되는 거리로 설계되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 정형파 전압 기준신호를 생성하는 발진부; 및 상기 발진부에서 생성된 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 상기 솔레노이드코일에 인가하는 전류인가부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 임피던스 변화 신호에서 90도의 위상차를 갖는 기준신호를 이용하여 임피던스 변화 신호를 검파하는 것으로 압력채널의 전압과 온도채널의 전압을 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 외란에 강인한 압력 검출 방법은, (a)발진부가 정형파 전압 기준신호를 생성하는 단계; (b)전류인가부가 상기 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 압력센서의 솔레노이드코일에 인가하는 단계; (c)전압검출부가 상기 솔레노이드코일의 임피던스 변화 신호를 검출하는 단계; (d)신호처리부가 상기 임피던스 변화 신호에서 압력성분 및 온도성분을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압력센서는, 하우징과, 상기 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과, 상기 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 정전류를 인가받는 솔레노이드코일을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다이어프램과 상기 솔레노이드코일의 이격거리(offset)는 상기 임피던스 변화 신호를 이용하여 생성된 임피던스 평면 다이어그램의 압력성분의 가용구간 내에서 동작되는 거리로 설계되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, 상기 임피던스 변화 신호를 이용하여 임피던스 평면 다이어그램을 생성하는 단계; 상기 임피던스 평면 다이어그램을 온도성분의 벡터가 x축과 평행되게 축회전하는 단계; 축회전된 상기 임피던스 평면 다이어그램에서 x축을 온도성분, y축을 압력성분으로 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유체 압력에 의한 압력센서 다이어프램의 기계적 변형과 주위 온도 변화에 의한 다이어프램의 전기전도도 변화에 대응하여, 다이어프램 표면에 생성되는 와전류 값이 변화할 때, 이 와전류 값의 변화에 의한 솔레노이드코일의 임피던스 변화는 본 발명에 의해 압력성분과 온도성분으로 구별이 가능하므로, 온도 외란을 배제하여 압력 정보만을 추출할 수 있게 된다.
또한, 온도 외란을 제거하여 압력을 측정할 수 있음에 따라, 압력측정 대상의 온도변화에 관계없이 동일한 압력 검출 값을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 압력센서의 솔레노이드코일과 와전류유도체를 나타낸 부분 절개 사시도이다.
도 3은 솔레노이드코일의 기계적 특성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 검출 시스템의 구성도이다.
도 5는 압력이 인가되지 않고, 온도가 변화되었을 때 솔레노이드코일의 임피던스 평면 다이어그램을 나타낸 그래프이다.
도 6은 압력이 인가되고, 온도가 변화되었을 때 솔레노이드코일의 임피던스 평면 다이어그램을 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예의 솔레노이드코일의 임피던스 평면 다이어그램을 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예의 솔레노이드코일의 임피던스 평면 다이어그램을 온도벡터 방향이 x축과 평행되게 축회전하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 9는 일 실시예의 솔레노이드코일의 임피던스 평면 다이어그램에서 가용구간과 불용구간을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 아날로그 회로 구성을 갖는 압력 검출 시스템의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 디지털 회로 구성을 갖는 압력 검출 시스템의 구성도이다.
도 12는 임피던스 평면 다이어그램을 생성하는 신호처리부의 기능도면이다.
도 13은 본발명의 실시예에 따른 압력 검출 방법의 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 온도 외란에 강인한 압력 검출 시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 2를 참조하여 압력센서를 설명한다. 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력센서는 원통형의 하우징(10)과, 하우징(10)의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램(diaphragm)(20)과, 하우징(10) 내부에 설치되며 외부의 전류인가부(120)로부터 고주파 전류를 인가받는 솔레노이드코일(30)과, 하우징(10) 내부에 설치되며 솔레노이드코일(30)이 설치되는 수지 재질의 보빈(bobbin)(60)을 포함한다. 여기서 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에는 열적 부도체인 단열블록(50)과 전기적 전도체인 와전류유도체(40)가 설치된다.
하우징(10)은 전단부와 후단부가 개방된 중광 관 형태로 이루어진다. 하우징(10)은 내식성 및 고강성의 금속 재질(예를 들어 SUS 계열의 금속)로 된 것이 바람직하다. 하우징(10)의 후단부에는 전류인가부(120) 및 전압검출부(140)와 전기적으로 연결되는 유연한 케이블(C)의 일단부가 삽입되어 연결된다.
다이어프램(20)은 내식성 및 고탄성 재료인 SUS 계열 또는 하스텔로이(hastelloy) 금속으로 된 원반형의 금속체로서, 외부의 유체 압력에 의해 기계적인 변형이 발생한다. 다이어프램(20)이 유체 압력에 의해 변형이 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여 다이어프램(20)의 전방면 및/또는 후방면 중간 부분에 다이어프램(20)의 변형을 유도하기 위한 링 형태의 변형유도홈(21)이 형성되는 것이 바람직하다.
다이어프램(20)의 후방면 중앙에는 단열블록(50)과의 결합을 위해 제1결합돌기(22)가 후방으로 돌출되게 형성된다.
단열블록(50)은 다이어프램(20)과 와전류유도체(40) 사이에 배치되어 외부의 열(예를 들어 엔진의 실린더에서 발생하는 열)이 다이어프램(20)을 통해 와전류유도체(40)로 열이 전달되는 것을 차단하여 와전류에 의한 압력 산출시 열에 의한 외란을 최소화하는 작용을 한다. 단열블록(50)은 낮은 열전달율을 가지며 고내열성 재료인 테프론(tefron) 또는 PEEK 등의 수지재로 된 것이 바람직하지만 이에 한정하지는 않는다.
단열블록(50)의 전단부 중앙에는 다이어프램(20)의 후단부에 형성된 제1결합돌기(22)가 삽입되어 결합되는 제1결합홈(51)이 오목하게 형성되고, 단열블록(50)의 후단부 중앙에는 와전류유도체(40)와의 결합을 위한 제2결합돌기(52)가 후방으로 돌출되게 형성되어 있다. 여기서 다이어프램(20)의 제1결합돌기(22)와 단열블록(50)의 제1결합홈(51)은 억지끼움식으로 결합될 수도 있으나 접착제 또는 나사, 고정핀 등의 체결수단에 의해 상호 고정되게 결합될 수도 있을 것이다.
와전류유도체(40)는 솔레노이드코일(30)과 일정 거리 이격되게 설치되어, 다이어프램(20)의 변형에 따라 단열블록(50)과 함께 하우징(10) 내부에서 축방향으로 이동하여 솔레노이드코일(30)과의 거리가 변하게 된다. 와전류유도체(40)는 단열블록(50) 및 다이어프램(20)에 결합되어 있으므로 다이어프램(20)의 기계적 변형량과 동일한 변위로 이동하게 된다.
와전류유도체(40)는 솔레노이드코일(30)에 의해 발생하는 전자기장에 의해 와전류를 원활하게 발생시킬 수 있도록 하기 위하여 고전도도(electrical conductivity) 금속이면서, 온도에 따른 투자율(permeability)의 변화가 작은 비자성체 금속인 알루미늄이나 구리 등의 금속재로 된 것이 바람직하다.
와전류유도체(40)의 전단부에는 단열블록(50)의 제2결합돌기(52)가 삽입되어 결합되는 제2결합홈(41)이 오목하게 형성된다. 단열블록(50)의 제2결합돌기(52)와 와전류유도체(40)의 제2결합홈(41)은 억지끼움식으로 결합될 수도 있으나 접착제 또는 나사, 고정핀 등의 체결수단에 의해 상호 고정되게 결합될 수도 있다.
보빈(60)은 하우징(10) 내부에서 솔레노이드코일(30)을 단단히 지지하는 작용을 함과 더불어, 단열블록(50)과 마찬가지로 열적 부도체인 테프론 또는 PEEK 등의 수지로 만들어져 열이 하우징(10)을 통해 솔레노이드코일(30)로 전달되어 열에 의한 외란을 받는 것을 억제하는 작용을 한다.
보빈(60)은 중앙이 개방된 중공의 원통체로 이루어져 하우징(10) 내부에 고정되게 설치되며, 전단부 중앙에는 솔레노이드코일(30)이 삽입되어 설치되는 코일설치홈(61)이 오목하게 형성되어 있다.
솔레노이드코일(30)은 구리 또는 은과 같은 금속 재질의 코일로 이루어지며, 절연 코팅되어 보빈(60)의 코일설치홈(61) 내에 감겨지며 설치된다. 솔레노이드코일(30)은 케이블(C)의 내부를 통과하는 전선에 의해 전류인가부(120) 및 전압검출부(140)와 전기적으로 연결된다.
전류인가부(120)는 전선을 통해 솔레노이드코일(30)에 고주파 정전류를 인가하여 솔레노이드코일(30)에서 교류 전자기장(electromagnetic field)을 발생시킨다.
그리고 전압검출부(140)는 와전류유도체(40)의 변위에 따른 와전류의 변화량에 따라 임피던스가 변화하는 신호를 검출한다.
이와 같이 구성된 압력센서는 다음과 같이 작동한다.
전류인가부(120)를 통해 솔레노이드코일(30)에 고주파 정전류가 인가되면 솔레노이드코일(30)에서 교류 전자기장이 발생하게 된다. 이 때 와전류유도체(40)에 전자기장에 의한 와전류가 발생하게 된다.
이 상태에서 하우징(10) 외부에서 유체의 압력에 의해 다이어프램(20)에 기계적인 변형이 발생하게 되면, 다이어프램(20)에 결합된 단열블록(50)과 와전류유도체(40)가 하우징(10) 내부에서 축방향으로 이동하게 된다. 이 때 와전류유도체(40)와 단열블록(50) 및 다이어프램(20)이 함께 결합되어 있으므로 와전류유도체(40)의 변위는 다이어프램(20)의 기계적 변형량과 동일하다.
와전류유도체(40)에 변위가 발생함에 따라 와전류유도체(40)와 솔레노이드코일(30) 간의 상대 거리에 변화가 발생하게 되고, 이에 따라 와전류유도체(40)의 표면에 생성되는 와전류량이 변화되어 솔레노이드코일(30)의 임피던스가 변하게 된다.
전압검출부(140)는 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화 신호를 검출한다.
이와 같은 압력센서에 따르면, 외부의 유체 압력에 의한 다이어프램(20)의 기계적 변형에 따라 와전류 세기가 변화하게 되고, 이러한 와전류 세기의 변화에 의해 압력을 측정할 수 있다. 따라서 고응답 성능을 확보할 수 있으며, 고압에서 정압 측정이 가능하고, 측정 대상의 동적 주파수에 관계없이 동일한 출력값을 제공할 수 있다.
또한 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30) 사이에 높은 전기 전도도를 갖는 와전류유도체(40)가 설치되어 와전류 측정 감도를 증대시킬 수 있고, 다이어프램(20)과 와전류유도체(40) 사이에 다이어프램(20)으로부터 와전류유도체(40)로의 열 전달을 차단하는 단열블록(50)이 설치되어 열에 의한 외란을 최소화할 수 있다.
또한 솔레노이드코일(30) 역시 수지 재질의 보빈(60)에 의해 감싸져 있으므로 하우징(10)을 통해 솔레노이드코일(30)로 전달되는 열을 최소화하여 외란을 억제할 수 있다.
도 3을 참조하면, 압력변화가 발생되지 않고, 온도변화가 발생된 솔레노이드코일(30)의 초기 임피던스 신호는, 솔레노이드코일(30)의 너비, 높이, 권선의 직경, 절연 코팅 두께, 권선 수, 권선 형태, 권선 품질 등의 특징에 영향을 받는다. 솔레노이드코일(30)의 임피던스 중 인덕턴스(inductance) 성분은 오직 솔레노이드코일(30)의 형상 특징에만 의존한다.
또한 발생되는 와전류의 분포(pattern)는 와전류유도체(40)의 형상, 즉 직경, 두께, 곡률, 표면 거칠기, 크랙(crack) 등의 영향을 받는다.
또한 발생되는 와전류의 양은 솔레노이드코일(30)과 와전류유도체(40) 사이의 거리, 법선각도 등의 영향을 받는다.
따라서 와전류를 이용하는 압력센서는 측정 물리량 및 적용 환경 등에 따라 설계된다. 특히, 상수로 고정되는 정보, 중요 설계 변수로 결정되는 정보, 측정 물리량 정보, 측정을 방해하는 외란의 특성 등으로 설계 조건이 결정된다.
압력센서의 설계 변화는 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화(R, L)를 유도한다. 따라서 솔레노이드코일(30)의 임피던스를 계측하면 압력, 온도 등 물리량의 측정이 가능하게 된다.
특히, 이 실시예는 임피던스 변화 신호를 추출하여 좌표평면상에서 신호를 변환하는 고유의 변환 기법이 적용된다.
압력센서가 적용된 환경에서 온도 변화가 발생되면, 솔레노이드코일(30)의 초기 임피던스 신호, 와전류의 분포, 발생되는 와전류의 양이 변화한다. 아울러, 솔레노이드코일(30), 와전류유도체(40) 및 솔레노이드코일(30)과 와전류유도체(40) 사이의 매질에 전기 전도도와 투자율에 변화가 발생된다. 온도에 의해 물리적, 전기적 특성이 변화된 압력센서는 검출 값에도 변화가 초래되어 일정한 압력 정보를 출력할 수 없게 된다. 특히, 100도 이상의 극단적 온도 변화가 나타나는 수소연료전지의 수소탱크와 같은 환경에서는 압력센서의 출력을 신뢰하기가 어렵게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 검출 시스템 및 방법은 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화 신호에서 압력성분의 패턴과 온도성분의 패턴이 존재함을 발견함에 근거하여, 이 패턴 정보를 이용하여 압력성분과 온도성분의 신호를 분리한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 검출 시스템은 위에서 설명된 압력센서와, 압력센서의 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화 신호를 검출하는 전압검출부(140)와, 전압검출부(140)에서 검출된 임피던스 변화 신호에서 압력성분 및 온도성분을 분리하는 신호처리부(170)를 포함한다.
또한, 정형파 전압 기준신호를 생성하는 발진부(110)와, 발진부(110)에서 생성된 기준신호를 정전류 정형파 신호(고주파 전류)로 변환한 후 솔레노이드코일(30)에 인가하는 전류인가부(120)를 더 포함한다.
전압검출부(140)는 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화 신호를 검출한다. 이때, 솔레노이드코일(30)의 임피던스는 압력 또는 온도에 대응하여 전압의 진폭 및 위상이 변화되는 것이 특징이다.
도 5를 참조하면, 신호처리부(170)는 먼저 솔레노이드코일(30)의 초기 임피던스 신호(Ro, Lo)를 수집하여 온도에 의한 외란신호의 벡터(vector)를 분석한다.
온도가 변화되면, 솔레노이드코일(30)의 너비, 높이, 권선의 직경, 권선 간의 상대 거리 등의 물리적 특성에 기인하는 L(Lo, Mc-c)성분이 변화된다. 또한 솔레노이드코일(30)의 전기 전도도 변화에 기인하는 R성분도 변화된다. L성분 및 R성분은 임피던스 평면(Impedance Plane) 다이어그램 상에서 가로방향(R성분) 및 세로방향(L성분)의 벡터를 가지며, 두 성분을 합한 벡터로 방향성이 결정된다. R성분은 온도에 비례하여 x축 방향으로 커진다. L성분(Lo, Mc-c) 중 Lo는 솔레노이드코일(30)이 열팽창에 의해 길이가 길어지기 때문에 온도에 비례하여 y축 방향으로 커지고, Mc-c는 권선 간의 거리가 멀어지기 때문에 온도에 반비례하여 y축 방향으로 작아진다. L성분의 서로 상충되는 Lo와 Mc-c는 솔레노이드코일(30)의 형상에 따라 방향성이 결정된다.
도 6을 참조하면, 온도가 높아질수록 와전류유도체(Target Plate)(40)의 전기 전도도(Conductivity)는 낮아지게 된다. 임피던스 평면(Impedance Plane) 다이어그램 상에서 온도성분의 방향성은 솔레노이드코일(30)의 개발 시 적용된 모델링의 결과나, 솔레노이드코일(30) 제작 후 전도도가 상이한 여러 시편에서 실험결과로 알 수 있다.
도면을 참조하면, 온도의 상승으로 압력검출 대상물의 전기 전도도가 낮아지면 임피던스 평면 다이어그램에서 R성분 및 L성분이 증가 되어 R성분과 L성분 사이의 대각선 방향으로 온도성분의 벡터가 나타난다. 특히, 도면을 참조하면 각각의 오프셋(Offset)(d)에서 벡터가 평행하게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 온도에 의한 신호 변화는 솔레노이드코일(30)의 초기 임피던스 신호(Ro, Lo)에서 도출된 온도성분과, 압력이 인가되었을 때 검출되는 임피던스 변화 신호(ΔR, ΔL)에서 도출된 온도성분의 벡터 합이 된다.
각각의 오프셋(Offset)(d)에서 벡터의 방향이 평행함을 확인할 수 있으며, 이 특성을 이용하면 압력성분과 온도성분의 분리가 가능하게 된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 신호처리부(170)는 임피던스 변화 신호에 대응하는 임피던스 평면 다이어그램을 생성하고, 임피던스 평면 다이어그램을 온도성분의 벡터가 x축과 평행되게 축회전 한다. 온도성분의 벡터가 x축과 평행되면, 압력성분은 y축과 나란하게 된다. 즉, 축회전에 의해 x축은 온도성분의 신호가 되고, y축은 압력성분의 신호가 된다. 여기서 압력성분의 신호를 선형화, Pressure/Offset, 계수 곱하기, Zero, Span 등의 후처리를 하면 압력성분만을 추출할 수 있게 된다.
임피던스 평면 다이어그램 상에서 압력성분이 선형으로 나타나는 구간, 즉 ΔL/ΔR이 직선으로 나타나는 구간은 압력을 계측하는데 이용할 수 있는 가용(可用)구간이 된다. 하지만, 압력성분이 선형으로 나타나지 않는 구간, 즉 ΔL/ΔR이 직선으로 나타나지 않는 구간은 출력을 신뢰할 수 없는 불용(不用)구간이 된다. 따라서, 압력센서의 다이어프램(20)과 솔레노이드코일(30)의 이격거리(offset)는 임피던스 평면 다이어그램 상에서 가용구간 내 동작이 될 수 있게 설계되어야 한다.
이로써, 신호처리부(170)는 임피던스 변화 신호에서 압력성분과 온도성분을 분리할 수 있게 된다. 분리된 압력성분의 정보만을 이용하면 온도가 변화하는 환경에서도 정확한 압력 검출이 가능하게 된다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 압력 검출 시스템의 구성도이다. 제1실시예는 아날로그 회로 구성을 갖는 것이 특징이다.
제1실시예는 정형파 전압 기준신호를 생성하는 발진부(110), 발진부(110)에서 생성된 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 솔레노이드코일(30)에 인가하는 전류인가부(120)를 포함한다.
또한 솔레노이드코일(30)에서 임피던스 변화 신호에 대응하는 전압파형을 검출하는 전압검출부(140), 발진부(110)에서 생성된 기준신호의 위상을 0도 내지 360도로 변환하는 위상변환기(130), 임피던스 변화 신호에서 90도의 위상차를 갖는 기준신호(Carrier-X, Carrier-Y)를 이용하여 임피던스 변화 신호를 검파하는 것으로 압력채널의 전압과 온도채널의 전압을 출력하는 신호처리부(170)를 포함한다.
또한 신호처리부(170)에서 출력된 압력채널의 전압과 온도채널의 전압을 최종 출력 규격에 대응되게 증폭하고 노이즈를 필터링하는 증폭기(191)를 포함한다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 압력 검출 시스템의 구성도이다. 제2실시예는 디지털 회로 구성을 갖는 것이 특징이다.
제2실시예는 디지털신호처리장치(digital signal processor, DSP)(160)를 포함한다. 디지털신호처리장치(160)는 발진부(110)의 주파수 및 진폭을 제어하는 발진통제부(Excitation Control)(161), 임피던스 평면 다이어그램의 축회전을 제어하는 축회전통제부(Rotator Control)(163), 축회전된 임피던스 평면 다이어그램의 출력보정을 제어하는 보정통제부(165)를 포함한다.
제2실시예는 발진통제부(161)에서 주파수 및 진폭의 정보를 전달받아 정형파 전압 기준신호를 생성하는 발진부(110), 발진부(110)에서 생성된 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 솔레노이드코일(30)에 인가하는 전류인가부(120)를 더 포함한다.
또한, 솔레노이드코일(30)에서 임피던스 변화 신호에 대응하는 전압파형을 검출하는 전압검출부(140), 임피던스 변화 신호에서 90도의 위상차를 갖는 기준신호(Carrier-X, Carrier-Y)를 이용하여 임피던스 변화 신호를 검파하는 것으로 압력채널의 전압과 온도채널의 전압을 출력하는 제1신호처리부(170a), 제1신호처리부(170a)의 압력채널 전압과 온도채널 전압을 이산화하는 A/D변환부(192)를 더 포함한다.
또한, 디지털신호처리장치(160)는 축회전통제부(163)의 제어하에 A/D변환부(192)에서 출력된 압력채널 전압과 온도채널 전압의 정보를 이용하여 임피던스 평면 다이어그램을 생성하고, 임피던스 평면 다이어그램을 온도성분의 벡터가 x축과 평행되게 축회전하는 제2신호처리부(170b), 보정통제부(165)의 제어하에 제2신호처리부(170)에서 출력된 압력채널과 온도채널을 최종 출력 규격에 대응되게 산술 보정하고 노이즈를 필터링하는 보정부(193), 보정부(193)에서 출력된 압력채널과 온도채널을 아날로그 신호로 변환하는 D/A변환부(194)를 포함한다.
도 12는 임피던스 평면 다이어그램을 생성하는 신호처리부(170)의 기능도면이다.
Signal은 전압검출부(140)가 검출한 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화 신호이다.
Carrier-X는 발진부(110)에서 생성된 기준신호이다.
Carrier-Y는 Carrier-X와 위상차이가 90도인 기준신호이다.
90˚Phase Shifter는 Carrier-X를 기준으로 위상차가 90도인 Carrier-Y의 신호를 생성한다.
Mixer는 Signal과 Carrier의 산술 곱하기 연산을 수행하는 연산기이다.
도 13은 본발명의 실시예에 따른 압력 검출 방법의 순서도이다.
이 실시예의 압력 검출 방법은 발진부(110)가 정형파 전압 기준신호를 생성하는 단계(S110), 전류인가부(120)가 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 압력센서의 솔레노이드코일(30)에 인가하는 단계(S120), 전압검출부(140)가 솔레노이드코일(30)의 임피던스 변화 신호를 검출하는 단계(S140), 신호처리부(170)가 임피던스 변화 신호에서 압력성분 및 온도성분을 분리하는 단계(S160)를 포함한다.
압력센서는 앞서 설명된 구성 및 특징을 일부 또는 전부 포함할 수 있다.
S160 단계는 구체적으로, 임피던스 변화 신호를 이용하여 임피던스 평면 다이어그램을 생성하는 단계(S162), 임피던스 평면 다이어그램을 온도성분의 벡터가 x축과 평행되게 축회전하는 단계(S165), 축회전된 임피던스 평면 다이어그램에서 x축을 온도성분, y축을 압력성분으로 분리하는 단계(S168)를 포함한다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 하우징 20 : 다이어프램
21 : 변형유도홈 22 : 제1결합돌기
30 : 솔레노이드코일 40 : 와전류유도체
41 : 제2결합홈 50 : 단열블록
51 : 제1결합홈 52 : 제2결합돌기
60 : 보빈 61 : 코일설치홈
110 : 발진부 120 : 전류인가부
130 : 위상변환기 140 : 전압검출부
160 : 디지털신호처리장치 161 : 발진통제부
163 : 축회전통제부 165 : 보정통제부
170 : 신호처리부 191 : 증폭기
192 : A/D변환부 193 : 보정부
194 : D/A변환부

Claims (8)

  1. 하우징과, 상기 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과, 상기 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 정전류를 인가받는 솔레노이드코일을 포함하는 압력센서;
    상기 솔레노이드코일의 임피던스 변화 신호를 검출하는 전압검출부; 및
    상기 전압검출부에서 검출된 임피던스 변화 신호 중 상기 솔레노이드코일의 전기 전도도 변화에 기인하여 x축 방향으로 변화하는 R성분과, 상기 솔레노이드코일의 열팽창과 권선 간 거리에 의해 y축 방향으로 변화하는 L성분을 이용하여 임피던스 평면 다이어그램에 온도성분의 벡터를 생성하고, 상기 온도성분의 벡터를 x축과 평행되게 축회전함으로써 압력성분을 y축과 나란하게 하여 x축이 온도성분의 신호가 되고 y축이 압력성분의 신호가 되게하며, 90도의 위상차를 갖는 기준신호(Carrier-X, Carrier-Y)를 이용하여 임피던스 변화 신호를 검파하는 것으로 압력채널의 전압 및 온도채널의 전압을 출력하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램과 상기 솔레노이드코일의 이격거리(offset)는 상기 임피던스 평면 다이어그램의 압력성분의 가용구간 내에서 동작되는 거리로 설계되는 것을 특징으로 하는 압력 검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    정형파 전압 기준신호를 생성하는 발진부; 및
    상기 발진부에서 생성된 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 상기 솔레노이드코일에 인가하는 전류인가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 검출 시스템
  5. 발진부가 정형파 전압 기준신호를 생성하는 단계;
    전류인가부가 상기 기준신호를 정전류 정형파 신호로 변환한 후 압력센서의 솔레노이드코일에 인가하는 단계;
    전압검출부가 상기 솔레노이드코일의 임피던스 변화 신호를 검출하는 단계;
    신호처리부가 임피던스 변화 신호 중 상기 솔레노이드코일의 전기 전도도 변화에 기인하여 x축 방향으로 변화하는 R성분과, 상기 솔레노이드코일의 열팽창과 권선 간 거리에 의해 y축 방향으로 변화하는 L성분을 이용하여 임피던스 평면 다이어그램에 온도성분의 벡터를 생성하는 단계;
    상기 신호처리부가 상기 온도성분의 벡터를 x축과 평행되게 축회전함으로써 압력성분을 y축과 나란하게 하여 x축이 온도성분의 신호가 되고 y축이 압력성분의 신호가 되게 하는 단계;
    상기 신호처리부가 축회전된 상기 임피던스 평면 다이어그램에서 x축을 온도성분, y축을 압력성분으로 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압력센서는,
    하우징과, 상기 하우징의 전단부에 설치되어 외부 압력에 따라 변형되는 다이어프램과, 상기 하우징 내부에 설치되며 외부의 전류인가부로부터 고주파 정전류를 인가받는 솔레노이드코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다이어프램과 상기 솔레노이드코일의 이격거리(offset)는 상기 임피던스 변화 신호를 이용하여 생성된 임피던스 평면 다이어그램의 압력성분의 가용구간 내에서 동작되는 거리로 설계되는 것을 특징으로 하는 압력 검출 방법.
  8. 삭제
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