KR102517758B1 - 다채널 열전대 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다채널 열전대 측정 장치에 관한 것으로, 열전대와 서미스터 쌍과, 상기 열전대와 서미스터 쌍의 아날로그 신호가 입력되는 단자부와, 상기 단자부를 통해 입력된 상기 열전대와 서미스터 쌍의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 검출부를 포함할 수 있다.

Description

다채널 열전대 측정 장치{Multi-channel measuring device for thermocouple}
본 발명은 다채널 열전대 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 냉접점보상을 수행하는 다채널 열전대 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열전대(thermocouple)는 제베크효과를 이용하여 넓은 온도 범위를 측정하기 위한 장치이며, 내구성이 우수하여 발전소, 제철소 등 극한 환경에서 주로 사용한다.
열전대 측정 장치는 열전대에서 발생한 기전력을 이용하여 온도를 계측해내는 장치로, 여기에서 측정된 온도는 0℃를 기준으로 측정된 값이므로, 실제 열전대 센서가 계측 장치에 연결되는 부근 온도를 측정하여 계측된 값에 더하여 보상을 해주게 되는데, 이러한 보상을 기준접점 보상(Reference Junction Compensation) 또는 냉접점보상(Cold Junction Compensation)이라 한다.
종래 열전대 측정 장치의 일예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 열전대 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 다수의 열전대(100)와, 다수의 상기 열전대(100)와는 다른 채널을 이루며 접점(310)의 온도를 검출하는 측온저항체(200)와, 상기 다수의 열전대(100) 각각에서 발생하는 기전력을 검출하여 디지털 신호로 변환하는 검출부(300)와, 상기 검출부(300)에서 검출된 상기 열전대(100)에서 검출된 온도에서 상기 측온저항체(200)에서 검출된 온도를 더하여 PLC(500) 등에 제공하는 보상부(400)를 포함한다.
상기 검출부(300)는 다채널 구조이며, 상기 열전대(100)들 및 측온저항체(200) 각각이 연결되는 다수의 접점(310)과 그 접점(310)을 통해 검출되는 전류값을 디지털신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(320)와, 상기 아날로그 디지털 변환기(320)의 출력을 절연시켜 보상부(400)로 제공하는 절연부(330)를 포함한다.
상기 절연부(330)는 포토 커플러를 사용할 수 있다.
도면에는 4채널의 검출부(300)를 도시하였다. 즉, 4개의 열전대(100)는 각각 하우징에 패키징되어 독립적으로 연결되어 있으며, 하나의 열전대(100)는 두 개의 접점(310)에 양단이 각각 연결된다.
열전대(100)와 접점(310)의 거리 및 접점(310)과 아날로그 디지털 변환기(320) 사이의 거리는 설치 환경 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 검출부(300)는 열전대(100)의 냉접점 보상을 위하여 측온저항체(200)를 이용하여 상기 열전대(100)가 연결되지 않은 별도의 기준접점(311)을 제공하며, 기준접점(311)의 온도를 검출하여 보상부(400)에서 열전대(100)의 냉접점 보상을 할 수 있도록 제공한다.
상기 측온저항체(200)는 통상의 서미스터를 사용한다.
상기 보상부(400)는 냉접점 보상을 수행하는 제어부(420)와, 데이터를 저장하는 메모리(410) 및 검출된 온도를 사용하는 PLC(500) 등의 외부기기와의 통신을 위한 인터페이스(430)를 포함할 수 있다.
그러나 다채널 열전대 측정 장치에서 냉접점 보상을 위한 측온저항체(200)가 가 검출부(300)의 내부에 위치하게 되므로, 초기 기동 후 시간이 지남에 따라 검출부의 발열 상태에 영향을 받는 것이다.
따라서, 종래 열전대 계측 장치는, 검출부(300)의 내부 온도가 열평형 상태에 도달하기까지 통상 30분 이상의 예열 시간을 두고 있으며, 이러한 예열 시간을 통해 열전대(100)의 냉접점 보상 오차를 줄일 수 있다.
또한, 종래에는 각 열전대(100)와 연결되는 접점(310)의 온도를 계측하는 것이 아니라 기준접점(311)을 두고, 그 기준접점(311)의 온도를 검출하여 다른 접점(310)의 온도를 예측하여 냉접점보상을 하기 때문에, 기준접점(311)과 접점(310)의 온도 편차에 따라 정확한 보상이 이루어지지 않을 수 있다.
이와 같은 문제점을 고려하여 본 발명 출원인의 등록특허 10-0942130호(열전대 센서를 이용한 온도계측장치, 2010년 2월 4일 등록)에는 열전대가 연결되는 접점(단자)들의 온도를 각각 측정할 수 있는 온도계측장치에 대하여 기재하고 있다.
그러나 위의 등록특허에서는 디지털 온도 센서를 사용하여 온도를 검출해야 하기 때문에 상대적으로 제조비용이 상승하게 되며, 채널별로 새로운 형태의 적절한 단자를 개발 및 제작해야 하기 때문에 재료비 및 가공비의 증가가 불가피하다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내부 온도의 편차에 따른 냉접점 보상 오차의 발생을 줄일 수 있는 다채널 열전대 측정 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제는, 디지털 온도 센서를 사용하지 않고도 열전대가 연결되는 접점의 온도를 검출할 수 있는 다채널 열전대 측정 장치를 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 다른 과제는, 단자구조를 단순화하며 측정 장치 내부 온도의 평형 상태와 무관하게 냉접점 보상이 가능한 다채널 열전대 측정 장치를 제공함에 있다.
아울러 본 발명의 또 다른 과제는, 서미스터를 이용하여 접점의 온도를 검출하되, 서미스터의 교체 및 유지보수가 용이한 다채널 열전대 측정 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 다채널 열전대 측정 장치는, 열전대와 서미스터 쌍과, 상기 열전대와 서미스터 쌍의 아날로그 신호가 입력되는 단자부와, 다채널 아날로그 디지털 변환기를 포함하여, 상기 단자부를 통해 입력된 상기 열전대와 서미스터 쌍의 아날로그 신호를 상기 다채널 아날로그 디지털 변환기에서 디지털 신호로 변환하는 검출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 검출부의 디지털 신호를 수신하여 냉접점 보상을 수행하는 보상부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 검출부는 복수로 마련되며, 복수의 상기 검출부는 각각 별도로 하우징될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 단자부는, 상기 검출부 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 단자부는, 상기 검출부와 상기 열전대 사이에 위치하는 외부 단자부일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 서미스터는, 서미스터칩이 실장된 피씨비 기판과, 상기 피씨비 기판에서 돌출되는 한 쌍의 U자형 단자와, U자형 단자 각각과 상기 서미스터칩을 전기적으로 연결하는 인쇄배선을 포함할 수 있다..
본 발명은, 열전대 각각의 접점 온도를 검출함으로써, 냉접점 보상의 오차 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 다채널의 아날로그 디지털 변환기를 사용하여 하나의 아날로그 디지털 변환기를 이용하여 열전대와 그 열전대의 접점 온도를 검출하는 서미스터의 기전력을 디지털신호로 변환할 수 있어, 상대적으로 고가의 디지털 온도 센서를 사용하지 않고도 열전대 접점의 온도를 검출할 수 있다. 따라서 비용을 줄일 수 있으며, 별도의 단자부를 설계 및 제작할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 보상 기준점인 접점의 위치를 측정 장치의 외부로 옮겨 장치 내부의 온도 편차에 따른 오차 발생을 방지함과 아울러 별도의 예열 시간을 두지 않고 즉시 온도 검출 및 보상이 가능한 효과가 있다.
그리고 본 발명은 서미스터를 이용하여 접점의 온도를 검출하되, 서미스터와 단자의 새로운 결합구조를 제안하여 서미스터의 교체, 이동, 유지보수가 용이하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 다채널 열전대 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다채널 열전대 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다채널 열전대 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 4는 서미스터의 구성도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 다채널 열전대 측정 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다채널 열전대 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명은, 각각 하나의 열전대(10, 10-1, 10-2, 10-3)와 하나의 서미스터(20, 20-1, 20-2, 20-3)에 연결되며, 각각에 연결된 열전대(10, 10-1, 10-2, 10-3)와 서미스터(20, 20-1, 20-2, 20-3)의 온도를 검출하고, 디지털 신호로 변환하는 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3)와, 상기 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3)의 열전대 검출온도의 냉접점 온도를 보상하여 외부장치(50)로 제공하는 보상부(40)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명 다채널 열전대 측정 장치의 특징적인 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명은 검출부의 구성을 각 채널별로 분할하여 4개의 채널에 대하여 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3)를 구성한다.
실질적으로 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3)는 서로 다른 함체에 의해 분리된 것으로, 장치 내부의 온도 편차 발생을 최소화한다.
상기 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3)의 세부 구성은 모두 동일하게 구성될 수 있다. 따라서 본 발명의 설명에서는 필요에 따라 제1검출부(30)만을 설명할 수 있으며, 제2 내지 제4검출부(30-1, 30-2, 30-3)에 대한 별도의 설명이 없더라도 제1검출부(30)와 동일하게 작용하는 것으로 이해될 수 있다.
제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3) 각각에는 하나의 열전대(10, 10-1, 10-2, 10-3)가 접점(31, 31-1, 31-2, 31-3)에 연결되어 있으며, 또한 기준접점(32, 32-1, 32-2, 32-3)에 하나의 서미스터(20, 20-1, 20-2, 20-3)가 연결되어 있다.
상기 제1검출부(30)에서는 열전대(10)의 기전력과 서미스터(20)의 기전력을 각각 증폭하는 증폭부가 마련될 수 있으며, 도면에는 증폭부의 구성을 생략하였다.
상기 열전대(10)와 서미스터(20)의 기전력은 아날로그 신호이며, 다채널 아날로그 디지털 변환기(33)에 각각 입력되고, 디지털 신호로 변환되어 절연부(34)를 통해 출력되는 것으로 한다.
상기 접점(31)과 기준접점(32)은 서로 인접한 위치에 배치된 것이며, 상호간에 온도편차의 발생을 최소화할 수 있다.
따라서, 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3) 각각은 연결된 열전대(10, 10-1, 10-2, 10-3)에서 검출된 온도 정보와 서미스터(20, 20-1, 20-2, 20-3)에서 검출된 접점의 온도 정보를 각각 출력할 수 있다.
제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3) 각각의 출력은 하나의 보상부(40)로 제공된다.
상기 보상부(40)는 주어진 프로그램에 따라 냉접점 보상을 수행하는 제어부(41)와, 데이터를 저장하는 메모리(42) 및 외부장치(50)와의 통신을 위한 인터페이스(43)를 포함할 수 있다.
구체적으로 인터페이스(43)를 통해 기설정된 외부장치(50)의 파라미터를 입력받아 메모리(42)에 저장할 수 있으며, 제어부(41)는 냉접점 보상을 수행함과 아울러 파라미터에 따라 제1 내지 제4검출부(30, 30-1, 30-2, 30-3)의 신호를 판단하며, 다채널 아날로그 디지털 변환기(33, 33-1, 33-2, 33-3)의 기준값 변경 등의 제어를 수행하게 된다.
이와 같은 구성에 의하여 본 발명은 각 열전대(10, 10-1, 10-2, 10-3) 접점(31, 31-1, 31-2, 31-3)의 온도를 개별적으로 검출함으로써, 냉접점 보상의 오차 발생을 방지할 수 있다.
또한, 다채널 아날로그 디지털 변환기(33, 33-1, 33-2, 33-3)를 각각 적용하여 기준접점(32, 32-1, 32-2, 32-3)의 온도 검출을 위하여 디지털 온도 센서를 사용할 필요 없으며, 상대적으로 저가인 서미스터(20, 20-1, 20-2, 20-3)를 사용하여 기준접점(32, 32-1, 32-2, 32-3)의 온도를 검출할 수 있는 특징이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 다채널 열전대 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 서미스터(20)의 온도 검출 접점을 제1검출부(30)의 내부가 아닌 외부에 위치하도록 할 수 있다. 도면에서 제2 내지 제4검출부(30-1, 30-2, 30-3)는 생략되었다.
외부 단자부(60)는 열전대(10)가 연결되는 제1단자부(61)와, 서미스터(20)가 연결되는 제2단자부(62)를 포함하며, 열전대(10)와 제1검출부(30) 사이에 위치하는 것으로 한다. 제1단자부(61)와 제2단자부(62)는 인접한 위치에 위치하는 것으로 한다.
외부 단자부(60)가 제1검출부(30)의 외측에 위치함에 따라 제1단자부(61)와 제2단자부(62)의 위치 차이에도 불구하고, 각각의 온도 편차는 발생하지 않게 된다.
또한, 상대적으로 열전대(10)의 위치와 가까운 위치에서의 접점 온도를 검출할 수 있다. 이는 열전대(10)가 신호선과 연결되는 지점의 온도를 검출하는 것이 냉접점 보상을 가장 정확하게 할 수 있는 방법으로 알려져 있다.
따라서 본 발명은 외부 단자부(60)를 열전대(10)와 가까운 위치에 위치시키고, 인접한 위치에 서미스터(20)를 장착하여 외부 단자부(60)의 온도를 검출함으로써, 냉접접 보상의 정확도를 높일 수 있다.
이때, 외부 단자부(60)의 위치는 온도 측정 대상인 발열체의 온도 영향을 직접 받지 않는 위치인 것으로 한다.
제1검출부(30)는 외부 단자부(60) 및 신호선을 통해 열전대(10)와 서미스터(20)의 기전력을 전달받아 다채널 아날로그 디지털 변환기(33)를 통해 변환하고, 절연부(34)를 통해 보상부(40)로 송신하게 된다.
다채널 아날로그 디지털 변환기(33)는 열전대(10)의 기전력뿐만 아니라 동일한 아날로그 신호인 서미스터(20)의 기전력도 디지털 신호로 변환할 수 있다.
따라서, 디지털 온도 센서를 사용하지 않고도 냉접점 보상을 수행할 수 있다.
도 4는 상기 외부 단자부(60)와 외부 단자부(60)에 결합되는 서미스터(20)의 일실시 구성도이다.
도 4에 도시한 바와 같이 외부 단자부(60)는 2개의 단자가 한 쌍으로 작용하며, 열전대(10)와 서미스터(20)가 동시에 연결될 수 있도록 4개의 단자를 제공한다.
즉, 앞서 설명한 바와 같이 열전대(10)의 연결을 위한 두 개의 단자인 제1단자부(61)와, 서미스터(20)의 연결을 위한 두 개의 단자인 제2단자부(62)를 포함한다.
제1단자부(61)와 제2단자부(62)는 각각 볼트단자 타입을 사용할 수 있으며, 적어도 서미스터(20)가 연결되는 제2단자부(62)는 볼트단자 타입을 사용할 수 있다.
또한, 서미스터(20)의 구조는 제2단자부(62)에 쉽게 탈부착 가능한 형태로 제공할 수 있다.
구체적으로, 피씨비 기판(21)에 U자형 단자부(23) 한 쌍이 돌출되도록 하여 외부 단자부(60)의 제2단자부(62) 각각의 단자에 결합될 수 있도록 한다.
상기 피씨비 기판(21)에는 서미스터칩(22)이 실장되며, 인쇄배선(24)에 의해 서미스터칩(22)과 U자형 단자부(23)가 상호 전기적으로 연결되는 것으로 한다.
이와 같은 구조에 의하여 서미스터(20)를 쉽게 제2단자부(62)에 장착 또는 탈착 가능하며, 필요에 따라 교체 등 유지보수가 용이하게 된다.
본 발명에서는 U자형 단자부(23)를 가지는 서미스터(20)가 외부 단자부(60)의 제2단자부(62)에 결합되는 것으로 도시하고 설명하였으나, 도 2의 구성에서 기준접점(32)과의 결합에도 사용될 수 있음은 당연하다.
외부 단자부(60)의 제1단자부(61)와 제2단자부(62) 각각에는 열전대(10)의 기전력을 검출하기 위한 제1신호선(35)과 서미스터(20)의 기전력을 검출하기 위한 제2신호선(36)이 연결되는 신호선 연결단자(63)를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 다채널 아날로그 디지털 변환기를 이용하여, 열전대(10)와 서미스터(20)의 온도 검출결과를 디지털 신호로 변환할 수 있기 때문에 디지털 온도 센서를 사용하지 않고도 열전대 검출 및 냉접점 보상이 가능하게 된다.
또한, 외부 단자부(60)를 사용하여 보다 정확한 냉접점 보상이 가능함과 아울러 온도 편차의 발생을 방지함으로써 예열을 하지 않고도 냉접점 보상이 가능한 특징이 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10:열전대 20:서미스터
21:피씨비 기판 22:서미스터칩
23:U자형 전극 24:인쇄배선
30:제1검출부 33:다채널 아날로그 디지털 변환기
40:보상부 60:외부 단자부
61:제1단자부 62:제2단자부

Claims (6)

  1. 열전대와 서미스터 쌍;
    상기 열전대와 서미스터 쌍의 아날로그 신호가 입력되는 단자부;
    다채널 아날로그 디지털 변환기를 포함하여, 상기 단자부를 통해 입력된 상기 열전대와 서미스터 쌍의 아날로그 신호를 상기 다채널 아날로그 디지털 변환기에서 디지털 신호로 변환하는 검출부; 및
    상기 검출부의 디지털 신호를 수신하여 냉접점 보상을 수행하는 보상부를 포함하며,
    상기 검출부는 복수로 마련되되 각각 별도로 하우징되며, 상기 단자부가 상기 검출부 외부에 위치하는 외부 단자부이며,
    상기 서미스터는, 서미스터칩이 실장된 피씨비 기판과, 상기 피씨비 기판에서 돌출되는 한 쌍의 U자형 단자와, U자형 단자 각각과 상기 서미스터칩을 전기적으로 연결하는 인쇄배선으로 구성하여 상기 단자부에 탈부착 가능하게 결합되고,
    상기 외부 단자부는, 2개의 단자가 한 쌍으로 작용하며, 상기 열전대와 상기 서미스터가 동시에 연결될 수 있도록 4개의 단자로 구성된 것을 특징으로 하는 다채널 열전대 측정 장치.
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