KR102641537B1 - 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연산부의 발열로 인한 가스감지영역 내의 온도 오차 발생을 최소화하여 가스 검출에 대한 신뢰성 및 정확성을 높일 수 있는 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서는, 하나 이상의 열원과 감지체를 구비하고, 기판의 하부 측에 위치한 가스감지영역 내부에 설치되어, 외부에서 유입된 가스와 상기 감지체의 접촉에 따라 발생되는 열전도량의 변화를 기반으로 가스의 농도를 감지하는 가스감지부와; 상기 가스감지영역 내에서 가스감지부와 일정거리 이격된 위치에 배치되며, 유입된 가스의 온도를 측정하는 온도센서와; 상기 가스감지영역 내에서 가스감지부와 일정거리 이격된 위치에 배치되며, 유입된 가스의 습도를 측정하는 습도센서와; 상기 가스감지영역으로부터 수평방향으로 일정거리 이격된 기판의 상부 측에 배치되며, 가스감지부와 온도센서 및 습도센서로부터 각각 입력되는 데이터 신호를 기반으로 가스 농도 산출을 위한 연산작업을 수행하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 열전도식 가스감지센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연산부의 발열로 인한 온도 오차 발생을 최소화하여 가스 검출에 대한 신뢰성을 높일 수 있는 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법에 관한 것이다.
가스센서는 대기 중이나 밀폐된 공간 내에 존재하는 특정 가스를 감지하여 전기적 신호로 정량적으로 측정할 수 있는 장치를 말하며, 보통 독성 및 폭발성 가스를 조기에 감지하여 그 피해를 최소화하는데 사용되고 있으며, 그 밖에 여러 가지 방법을 사용한 수 많은 종류의 가스센서들이 출시되고 있다.
일반적으로, 기존의 가스센서는 특정 가스를 선택적으로 반응할 수 있는 감지소자와, 트랜스듀서라는 전기적 신호를 발생할 수 있는 소자로 이루어져 있으며, 감지소자는 재료의 선정과 대상 물질에 따라 금속 산화물 및 폴리머 물질 등 수 많은 종류가 사용되며, 트랜스듀서는 그 원리에 따라 크게 기전력 및 전해 전류 변화를 이용한 고체 전해질 센서, 연소열에 의한 전기 저항 변화를 이용한 접촉 연소식 센서, 트랜지스터 및 전기 전항을 이용한 반도체식 센서, 정전위 및 갈바니 전지 전류를 이용한 전기화학식 센서, 공진 주파수 변화를 사용한 수정 발전식 센서 등이 사용되고 있다.
한편, 열전도식 가스센서는 저항 측정 원리에 따라 작동하는 가스센서로서, 주로 메탄(CH4)이나 수소(H2) 등과 같이 대기보다 열전도율이 높은 2성분 혼합가스를 검지하는 용도에 주로 사용되고 있다.
이러한 열전도식 가스센서는 측정 대상의 가스 또는 가스 혼합물이 가스센서 내부의 감지소자와 접촉될 경우 변화되는 저항의 변화량을 검출하여 가스의 농도를 측정하게 된다.
기존의 열전도식 가스센서에 구비되는 가스감지부는, 가열부, 전극부, 감지소자의 세부분으로 구성되는데, 가열부는 감지소자가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 승온시켜주는 역할을 하는 부분으로 일정한 저항값을 가지는 금속저항체에 전압을 인가하여 발생하는 저항가열 방식이 사용된다.
그리고 전극부는 감지소자가 가스를 흡착함에 따라 발생하는 저항값의 변화를 외부 회로로 연결시켜주기 위한 부분으로, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등 여러가지 물질이 사용될 수 있으나, 감지소자의 동작시 고온(300℃이상)으로 가열되는 특성으로 인해 고온안정성이 뛰어난 백금(Pt)이 주로 사용되고 있다.
또한, 감지소자는 검출 대상의 가스가 직접 접촉되는 부분으로, 가스가 감지소자에 흡착됨에 따라 전기적인 저항의 변화를 일으키면 전자의 교환이 이루어지게 되어 고유한 저항값의 변화가 발생하게 되며, 변화된 저항값을 전극부를 통해 외부로 출력하여 연산작업을 통해 가스의 농도 및 종류를 판단하게 된다.
그러나, 상기와 같은 구성을 가지는 기존의 열전도식 가스센서는 가스감지부로부터 출력된 신호(저항값 변화)를 입력받아 연산작업을 수행하는 연산부가 주로 가스센서 내부에 구비된 가스감지부 및 온도/습도센서가 위치된 가스감지영역의 인접한 위치에 배치됨으로써, 연산부에서 연산작업 시 발생하는 열이 가스감지영역 내부로 전달되어 감지감지영역 내부의 국부적인 온도 차이를 발생시킬 수 있다. 이와 같이 가스감지부와 온도/습도센서가 위치된 영역 별로 온도 차이가 발생하게 됨으로써 각 영역 별로 측정된 온도에 대한 오차가 발생하게 되어 가스 측정에 대한 정밀도와 신뢰성을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 연산부의 연산작업 시 발생하는 발열로 인해 가스 감지영역 내부에 국부적으로 온도 차이가 발생하는 것을 방지하여 온도 측정값에 대한 오차 발생을 최소화할 수 있고, 이를 통해 가스 측정에 대한 정확성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서는, 하나 이상의 열원과 감지체를 구비하고, 기판의 하부 측에 위치한 가스감지영역 내부에 설치되어, 유입구를 통해 유입된 가스와 상기 감지체의 접촉에 따라 발생되는 열전도량의 변화를 기반으로 가스의 농도를 감지하는 가스감지부와; 상기 가스감지영역 내에서 가스감지부와 일정거리 이격된 위치에 배치되며, 유입된 가스의 온도를 측정하는 온도센서와; 상기 가스감지영역 내에서 가스감지부와 일정거리 이격된 위치에 배치되며, 유입구를 통해 유입된 가스의 습도를 측정하는 습도센서와; 상기 가스감지영역으로부터 수평방향으로 일정거리 이격된 기판의 상부 측에 배치되며, 가스감지부와 온도센서 및 습도센서로부터 각각 입력되는 데이터 신호를 기반으로 가스 농도 산출을 위한 연산작업을 수행하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가스감지영역은, 가스감지부가 위치하는 제1영역과, 온도센서 및 습도센서가 위치하는 제2영역을 포함하며, 상기 제1영역과 제2영역 내부로 외부 가스의 유입이 동시에 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 유입구는, 격벽을 통해 제1유입구와 제2유입구로 구획되며, 상기 격벽의 상단 부분에는 필터가 안착될 수 있다.
또한, 상기 가스감지영역의 외측에는 기판을 탄성적으로 지지하는 탄성체가 설치되되, 상기 탄성체는 기판과 하우징 사이를 밀폐할 수 있다.
그리고, 상기 열전도식 가스감지센서의 내부에는 유입구를 통해 유입된 가스의 압력을 측정할 수 있는 압력센서가 구비될 수 있으며, 상기 압력센서를 통해 측정된 압력값을 기반으로 가스 농도의 보정이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 연산부는 외부의 제어기와 연결되어 상기 제어기와 데이터 신호를 상호 송/수신할 수 있다.
이 경우, 상기 가스감지부는 온도센서, 습도센서, 압력센서를 통해 측정된 데이터 신호를 직접 취득하여 내부에서 자체 보정한 후 연산부로 출력할 수 있다.
또한, 상기 연산부가 외부의 제어기에 내장된 또 다른 연산부와 연결되어 상호 간에 데이터 신호를 송/수신하되, 상기 제어기에 내장된 대기압센서를 통해 측정된 대기압 데이터 신호를 기반으로 제어기 내의 연산부에서 자체 보정한 후 가스감지센서의 연산부로 출력할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 농도 측정방법은, (a) 연산부에서 가스감지센서의 정상작동 여부를 판단하는 단계와; (b) 가스감지센서에 설치된 온도센서 및 습도센서를 통해 내부로 유입된 가스의 온도 및 습도를 각각 측정하는 단계와; (c) 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온도센서 및 습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은지 여부를 판단하는 단계와; (d) 상기 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온도센서 및 습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은 것으로 판단되면, 온도 및 습도 보정값을 산출하는 단계와; (e) 상기 산출된 온도 및 습도 보정값을 기반으로 가스감지부에서 측정된 가스 농도의 보정을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 (c) 단계에서 가스감지센서의 내부 온도와 온도센서 및 습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은 것으로 판단된 경우, 가스감지센서 내부에 설치된 압력센서를 통해 가스의 압력을 측정하여, 상기 측정된 압력에 따른 가스 농도의 보정을 수행할 수 있다.
또는, 상기 (c) 단계에서 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온도센서 및 습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은 것으로 판단된 경우, 상기 가스감지센서 외부에 설치된 압력센서를 통해 가스의 압력을 측정하고, 상기 측정된 가스의 압력과 표준 대기압 차이의 절대값이 설정된 제2임계값보다 클 경우 압력 보정값을 산출하여 압력에 따른 가스 농도의 보정을 수행할 수 있다.
또는, 상기 (c) 단계에서 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온도센서 및 습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은 것으로 판단된 경우, 상기 가스감지센서 외부에 설치된 압력센서를 통해 대기압을 측정하여 상기 측정된 대기압에 따른 가스 농도의 보정을 수행할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 열전도식 가스감지센서 구조에 따르면, 가스감지부와 온도/습도센서로부터 입력된 데이터 신호를 기반으로 가스 농도 산출을 위한 연산작업을 수행하는 연산부가 가스감지영역으로부터 수평방향으로 일정거리 이격된 위치의 기판 상부 측에 배치되도록 구성함으로써, 능동소자인 연산부의 연산작업 과정에서 발생하는 고온의 열로 인해 가스감지영역 내부의 가스감지부와 온도/습도센서 설치영역에서 각각 측정된 각 측정 신호에 대한 오차 발생을 최소화할 수 있기 때문에 가스 측정의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 가스감지영역 내부를 가스감지부가 위치하는 제1영역과, 온도/습도센서가 위치하는 제2영역으로 구획하여 각 공간으로 가스를 동시에 유입시켜 양쪽에서 동시에 가스 측정이 이루어지도록 구성됨으로써, 가스의 측정 오차가 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 가스감지센서의 내부에 가스의 압력을 측정할 수 있는 압력센서를 설치하거나, 가스감지센서의 외부에 대기압을 측정할 수 있는 대기압센서를 설치하여, 상기 압력센서 또는 대기압센서를 통해 측정된 압력값을 기반으로 산출된 가스 농도값에 대한 보정이 이루어지도록 함으로써 실제 가스 농도값과 근접한 정확한 수준의 가스 측정값을 도출해낼 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서의 외부구조를 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 가스감지센서를 A-A 섹션 방향으로 절개하여 도시한 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 가스감지센서를 B 방향에서 바라본 정면도.
는 도 1에 도시된 가스감지센서를 C-C 섹션 방향으로 절개하여 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 가스감지센서의 가스감지영역과 연산부와의 배치관계를 보여주는 평면도.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 가스감지센서의 각 구성부와 외부 제어기와의 연결관계를 보여주는 구성도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스감지센서의 각 구성부와 외부 제어기와의 연결관계를 보여주는 구성도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스감지센서의 각 구성부와 외부 제어기의 각 구성부와의 연결관계를 보여주는 구성도.
도 9는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트.
도 12는 압력센서에 의한 압력 보상에 따라 가스 측정에 대한 정밀도가 향상된 것을 실험적으로 보여주는 그래프.
도 2는 도 1에 도시된 가스감지센서를 A-A 섹션 방향으로 절개하여 도시한 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 가스감지센서를 B 방향에서 바라본 정면도.
는 도 1에 도시된 가스감지센서를 C-C 섹션 방향으로 절개하여 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 가스감지센서의 가스감지영역과 연산부와의 배치관계를 보여주는 평면도.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 가스감지센서의 각 구성부와 외부 제어기와의 연결관계를 보여주는 구성도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스감지센서의 각 구성부와 외부 제어기와의 연결관계를 보여주는 구성도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스감지센서의 각 구성부와 외부 제어기의 각 구성부와의 연결관계를 보여주는 구성도.
도 9는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트.
도 12는 압력센서에 의한 압력 보상에 따라 가스 측정에 대한 정밀도가 향상된 것을 실험적으로 보여주는 그래프.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.
이하, 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법에 대한 다양한 형태의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서의 외부구조를 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가스감지센서를 A-A 섹션 방향으로 절개하여 도시한 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 가스감지센서를 B 방향에서 바라본 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 가스감지센서를 C-C 섹션 방향으로 절개하여 도시한 단면도이다. 아울러, 도 5는 본 발명에 따른 가스감지센서의 가스감지영역과 연산부의 배치관계를 보여주는 평면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 열전도식 가스감지센서(100)는, 장착부(104) 및 커넥터부(106)가 구비된 하우징(102)과, 상기 하우징(102) 내부의 가스감지영역(AR)으로 유입되는 가스를 감지하는 가스감지부(120)와, 유입된 가스의 온도 및 습도를 측정하는 온/습도센서(130)와, 상기 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)를 통해 측정된 데이터 신호를 기반으로 가스 농도 산출을 위한 연산작업을 수행하는 연산부(140)를 포함하여 구성된다.
가스감지센서(100)의 외곽을 형성하는 하우징(102)은 대향하는 일측에 외부 구조물에 장착시키는데 필요한 한 쌍의 장착부(104)가 마련되고, 타측에는 외부 제어기(200)와의 연결을 위한 커넥터부(106)가 마련된다.
이 경우 커넥터부(106)는 가스감지센서(100)의 기판(110)에 회로구성된 연산부(140)와 외부 제어기(200)를 연결하여 상기 연산부(140)와 외부 제어기(200)는 상호 간에 데이터 신호를 송/수신할 수 있다.
그리고, 하우징(102)의 하면에는 외부 가스가 유입될 수 있는 공간인 유입구(150)가 형성된다. 상기 유입구(150)의 상부에는 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)가 위치하는 공간인 가스감지영역(AR)이 형성되어 상기 유입구(150)와 연통된다.
유입구(150)의 상부 측에 위치하는 가스감지영역(AR)은 가스감지부(120)가 위치되는 영역인 제1영역(AR1)과, 온/습도센서(130)가 위치되는 영역인 제2영역(AR2)으로 구분된다.
상기 제1영역(AR1)과 제2영역(AR2)은 가스감지부(120)와 온/습도센서(130)가 설치된 위치를 구분하기 위한 가상의 영역으로, 상기 제1영역(AR1)에 위치하는 가스감지부(120)와 상기 제2영역(AR2)에 위치하는 온/습도센서(130)는 서로 일정거리 이격된 위치 상에 배치된다. 이 경우, 상기 가스감지영역(AR)의 제1영역(AR1)과 제2영역(AR2)은 가상으로 구획된 공간이기 때문에 상기 제1영역(AR1)과 제2영역(AR2) 간에 가스의 이동이 가능하다.
가스감지영역(AR)의 상부 측에는 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)가 장착되는 기판(110)이 배치된다. 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)는 기판(110)의 하부면에 장착되는데, 이 경우 가스감지영역(AR)의 제1영역(AR1)에는 가스감지부(120)가 위치하고, 제2영역(AR2)에는 온/습도센서(130)가 각각 위치된다.
가스감지영역(AR)의 하부 측에 위치하는 유입구(150)는 중앙의 배치된 격벽(156)을 중심으로 상기 가스감지영역(AR)의 제1영역(AR1)과 연통되는 제1유입구(152)와, 제2영역(AR2)과 연통되는 제2유입구(154)로 구획되며, 외부의 가스가 상기 제1유입구(152)와 제2유입구(154)로 동시에 유입될 수 있다.
따라서, 제1유입구(152)와 제2유입구(154)로 동시 유입되는 가스는 제1유입구(152) 및 제2유입구(154)의 각 상부 측에 위치한 제1영역(AR1) 및 제2영역(AR2)으로 동시 유입되고, 상기 제1영역(AR1)에 위치한 가스감지부(120)와 제2영역(AR2)에 위치한 온/습도센서(130)에서 가스 온도를 개별적으로 측정하는 것이 가능해지기 때문에 상기 제1영역(AR1)과 제2영역(AR2)에서 센서를 통해 동시 측정된 데이터를 기반으로 연산작업을 통해 측정 오차를 저감시킬 수 있다.
열전도 방식을 이용하는 본 발명의 가스감지센서의 경우 가스감지부(120) 내에 구비된 열원(미도시)에 의해 측정 대상 가스의 습도 변화가 발생될 수 있기 때문에 상기와 같이 가스감지부(120)가 위치하는 제1영역(AR1)과 온/습도센서(130)가 위치하는 제2영역(AR2)으로 측정 공간을 분리하고 각 공간에서 가스 측정이 동시에 개별적으로 이루어지도록 함으로써 열원(히터)에 의한 가스의 습도 변화가 발생하여도 양측에서 측정된 데이터의 비교 분석을 통해 측정 오차 발생 가능성을 최소한으로 저감시킬 수 있다.
한편, 유입구(150)와 가스감지영역(AR) 사이에는 필터(160)가 구비되며, 상기 필터(160)는 유입구(150) 상단 주변의 하우징(102) 부분과 격벽(156) 상단 부분에 동시에 안착된다. 이 경우 격벽(156)은 필터(160)를 하부에서 지지하며 필터(160)를 보호하는 역할을 한다.
이와 같은 필터(160)는 유입구(150)를 통해 유입되는 가스 중에 포함된 이물질 및 수분이 가스감지영역(AR) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있도록 필터링하는 기능을 담당한다.
그리고, 상기 안착된 필터(160)의 상면 가장자리 부분에는 가스감지영역(AR)의 높이에 대응되는 두께를 갖는 중공형 원통 모양의 지지부재(170)가 안착되어, 필터(160)의 중앙 부분이 격벽(156)을 통해 지지되는 한편 필터(160)의 가장자리 부분은 지지부재(170)와 하우징(102) 사이에 개재되어 필터(160)에 고정력이 부여될 수 있다.
또한, 상기 가스감지영역(AR)의 외측에는 기판(110)을 하부에서 탄성적으로 지지하는 탄성체(180)가 설치될 수 있다. 상기 탄성체(180)는 지지부재(170) 외곽에 위치한 하우징(102) 내부 오목홈 부분에 설치되어 기판(110)과 하우징(102) 사이를 밀폐하면서 가스감지영역(AR) 주변을 에워싸며 가스감지영역(AR)을 최소화할 수 있다.
한편, 가스감지부(120)는 가스감지영역(AR)의 제1영역(AR1)에 위치하도록 기판(110)의 하부 측에 장착되는데, 이러한 가스감지부(120)의 내부에는 도시되지 않은 하나 이상의 열원과 감지체 및 온도센서가 구비될 수 있다.
상기 열원은 제1유입구(152)를 통해 제1영역(AR1) 내부로 유입된 가스를 감지체가 최적 성능을 나타낼 수 있는 특정 온도까지 가열하여 승온시켜 주는 역할을 하게 되며, 상기 열원의 가열을 통해 승온된 가스는 상기 열원으로부터 일정거리 이격되어 있는 감지체에 전달될 수 있다.
상기 열원은 백금열선 등으로 구성될 수 있으며, 열원에서 발생된 열이 주위로 열전달될 때 단일 가스 대비 불순물 가스가 있으면 열전도도가 달라지는 원리를 이용하여, 예를 들어 수소 가스의 농도를 측정하거나 또는 고순도의 수소가스 대비 다른 가스의 농도를 측정할 수 있다.
감지체에서는 가스의 온도 상승에 따라 달라지는 열전도도 변화량을 검출하여 연산부(140)로 출력한다. 즉, 감지체는 온도가 상승된 가스가 표면에 접촉될 때 변화되는 열전도량을 전기적인 저항값 형태로 외부의 연산부(140)로 출력하게 되고, 상기 연산부(140)에서는 감지체로부터 입력되는 저항값을 기반으로 연산작업을 수행하여 가스의 종류 및 농도를 판단할 수 있다. 아울러, 가스감지부(120) 내에는 온도센서가 구비되어 가스감지부(120) 내부의 온도를 측정할 수 있다.
한편, 가스감지영역(AR) 내의 제2영역(AR2)에는 제2유입구(154)를 통해 제2영역(AR2)으로 유입되는 가스의 온도 및 습도를 측정할 수 있는 온/습도센서(130)가 배치된다. 상기 온/습도센서(130)는 가스감지부(120)와 일정거리 이격된 위치에 배치되도록 기판(110)의 하부 측에 장착된다.
여기서, 가스감지영역(AR) 내부로 유입되는 가스가 동일 조성을 가지는 가스라고 하더라도 가스의 온도, 습도, 압력에 따라 가스감지부(120)에서 측정된 온도가 달라질 수 있기 때문에 이를 보정하기 위하여 가스감지부(120)로부터 일정거리 이격된 제2영역(AR2) 부분에 온/습도센서(130)가 설치된다.
이와 같은 온/습도센서(130)는 제2유입구(154)를 통해 제2영역(AR2)으로 유입되는 가스의 온도 및 습도를 측정하여 연산부(140)로 출력하고, 연산부(140)에서는 상기 온/습도센서(130)로부터 입력된 데이터 신호를 기반으로 연산작용을 통해 가스 농도에 대한 보정을 수행함으로써 가스 측정값을 실제 환경에 맞게 보정할 수 있다. 이러한 온/습도센서(130)는 가스감지영역(AR) 내부에 하나 이상의 개수로 설치될 수 있다.
그리고, 가스감지영역(AR) 내부에는 유입된 가스의 압력을 측정할 수 있는 압력센서(190)가 설치될 수 있다. 이 경우 상기 압력센서(190)는 외기와 통기 가능한 가스감지센서(100)의 내부공간에 설치될 수 있다.
예를 들어, 상기 압력센서(190)는 가스감지영역(AR) 내부에서 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)와 동일한 수평방향 위치에 배치되도록 기판(110)의 하부 측에 장착될 수 있다.
다만, 상기 압력센서(190)는 다른 센서들보다 크기가 크기 때문에 가스감지영역(AR) 내부에 위치하게 되면 센서의 응답성이 느려질 우려도 존재하기 때문에 상기 압력센서(190)는 상기 가스감지영역(AR) 이외에도 외기와 통하는 가스감지센서(100) 내부의 다른 위치상에 설치될 수도 있다.
이와 같이, 가스감지센서(100) 내부에 압력센서(190)를 설치함으로써, 상기 압력센서(190)를 통해 측정된 가스의 압력값을 기반으로 압력에 따른 가스 농도의 보정이 이루어질 수 있다.
다만, 상기와 같은 압력센서(190)는 필요에 따라 선택적으로 장착될 수 있는 구성으로서, 이와 같은 압력센서(190) 없이 온/습도센서(130)를 통해 측정된 가스의 온도 및 습도를 기반으로 가스 농도의 보정이 이루어질 수도 있다.
한편, 가스감지영역(AR)으로부터 수평방향으로 일정거리(FR) 이격된 위치상에 있는 기판(110)의 상부 측에는 가스감지부(120)와 온/습도센서(130) 및 압력센서(190)로부터 입력되는 각각의 데이터 신호를 기반으로 가스 농도 산출을 위한 연산작업을 수행하게 되는 연산부(140)가 구비된다.
기존 가스감지센서의 경우 신호처리를 담당하는 연산부가 가스감지영역과 인접한 위치에 배치됨으로써 연산부의 연산작업 과정에서 발생하는 발열로 인해 가스감지영역 내의 가스 온도에 영향을 미쳐 가스감지부에서 검출된 신호에 오차가 발생됨으로써 가스센서의 신뢰성을 저하시키는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에서는 도 4에서 보는 바와 같이 연산부(140)가 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)가 위치하는 가스감지영역(AR)의 최외곽 부분으로부터 기판(110)과 평행한 방향으로 일정거리(FR)만큼 이격된 기판(110)의 상부 측 위치에 배치되도록 구성함으로써, 능동소자인 연산부(140)의 연산작업 과정에서 발생하는 열이 가스감지영역(AR) 내부로 전달되는 것을 최소화할 수 있고, 이에 따라 가스감지부(120)에서 측정된 신호 오차를 최소화하여 가스감지센서의 측정 신뢰성도를 높일 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8에서는 본 발명의 가스감지센서와 외부 제어기와의 연결관계에 대한 다양한 실시 예 형태를 보여주고 있다.
먼저, 도 6에 도시된 실시 예 형태는 가스감지센서(100) 내부에 가스의 압력을 측정할 수 있는 압력센서(190)가 내장된 형태로서, 연산부(140)는 가스감지부(120)와 온/습도센서(130) 및 압력센서(190)로부터 데이터 신호를 입력받아 가스감지부(120)에서 측정된 가스 측정값에 대한 대한 습도 및 압력 보정을 실시한 후, 최종 도출된 가스 측정값을 외부 제어기(200)로 출력할 수 있다.
즉, 연산부(140)에는 가스감지부(120)에서 출력된 데이터 신호와, 온/습도센서(130) 및 압력센서(190)에서 출력된 각각의 데이터 신호를 기반으로 설정된 보정식을 이용하여 가스 측정값의 보정을 수행하여 가스의 종류 및 농도를 신뢰성 있게 판별할 수 있다. 그리고, 연산부(140)는 보정된 가스 측정값에 대한 데이터 신호를 외부 제어기(200)로 전송하여 제공할 수 있다.
그리고, 도 7에 도시된 실시 예 형태에서는 가스감지센서(100) 내부에 온/습도/압력을 각각 측정할 수 있는 온/습도센서(130) 및 압력센서(190)가 설치되고, 가스감지부(120)가 상기 온/습도센서(130) 및 압력센서(190)를 통해 측정된 데이터 신호를 직접 취득하여 내부에서 자체 보정을 실시한 후 연산부(140)로 출력할 수 있다.
또한, 도8에 도시된 실시 예 형태는 가스감지센서(100) 내부에 압력센서(190)가 설치되지 않고 외부 제어기(200)에 대기압을 측정할 수 있는 대기압센서(220)가 설치된 형태로서, 가스감지센서(100)의 연산부(140)에서는 가스감지부(120)와 온/습도센서(130)로부터 데이터 신호를 입력받아 가스 측정값에 대한 온/습도 보정을 실시한 후 외부 제어기(200)로 출력하고 외부 제어기(200)의 연산부(210)에서 대기압센서(220)를 통해 측정된 대기압에 따라 가스 측정값에 대한 보정을 실시할 수 있고, 또는 가스감지센서(100) 내부의 연산부(140)가 상기 외부 제어기(200)에서 측정된 대기압 데이터를 입력 받아 가스 측정값에 대한 보정작업을 수행할 수 있다.
한편, 도 9는 상술한 본 발명의 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 측정방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 9에 도시된 플로우차트에서는 압력센서(190)가 내장된 가스감지센서(100)의 연산부(140)에서 수행되는 가스 농도 산출 과정을 설명하고 있다.
먼저, 전원이 온(ON)되어 가스감지센서(100)가 구동되면, 연산부(140)에서는 가스감지센서(100)가 정상적으로 작동되고 있는지 여부를 판단한다.(S310)
그리고, 가스감지센서(100)가 현재 정상적으로 작동되고 있는 것으로 판단되면, 가스감지센서(100)의 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)를 통해 유입된 가스의 온도 및 습도를 측정한다.(S320)
이 경우, 가스감지부(120)는 가스감지센서(100)의 제1유입구(152)를 통해 제1영역(AR1) 부분으로 유입된 가스의 농도 및 온도를 측정하게 되고, 동시에 온/습도센서(130)에서는 제2유입구(154)를 통해 제2영역(AR2) 부분으로 유입된 가스의 온도 및 습도를 측정하게 된다.
다음으로, 연산부(140)에서는 상기 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)에서 각각 측정된 데이터를 기반으로, 가스감지부(120)의 온도센서를 통해 측정된 가스감지부(120)의 내부 온도(T1)와 온/습도센서(130)를 통해 측정된 온도(T2) 차의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은지 여부를 판단한다.(S330)
여기서, 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)에서 측정된 온도차의 절대값이 제1임계값보다 작으면 가스 검출이 정상적으로 이루어진 상황으로 간주할 수 있고, 이와 반대로 가스감지부(120) 및 온/습도센서(130)에서 측정된 온도차의 절대값이 제1임계값보다 크다면 정상적으로 가스 검출이 이루어지지 않은 NG 상황으로 간주될 수 있다.
그리고, 상기 (S330)단계로부터 가스 검출이 정상적으로 이루어진 것으로 판단되면, 가스감지센서(100)에 내장된 압력센서(190)를 통해 가스의 압력을 측정하고(S340), 상기 측정된 가스의 압력을 기반으로 연산부(140)에서는 앞서 측정된 가스 측정값에 대하여 설정된 보정식을 통해 온/습도 및 압력 보정을 실시함으로써 최종적으로 정확한 가스 농도값을 산출할 수 있다.(S360) 그리고, 최종 산출된 가스 농도값을 외부로 송출할 수 있다.(S366)
이때, 압력센서(190)를 이용한 별도의 압력 보정이 필요치 않은 경우에는 압력 측정 및 보정과 관련된 상기 (S340) 단계는 생략될 수도 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 가스감지센서를 이용한 또 다른 형태의 측정 로직을 설명하는 것으로서, 가스감지센서 내부에 별도의 압력센서가 내장되지 않은 경우의 측정 로직이 나타나 있다.
먼저, 도 10은 가스감지센서(100)에 압력센서가 설치되지 않고 외부 제어기(200)에 설치된 대기압센서(220)를 통해 가스 측정값에 대한 압력 보정이 실시되는 것을 보여주는 것으로, 기본적인 측정 로직은 전술된 도 9에 도시된 측정 로직과 동일하다.
다만, (S330) 단계 이후의 압력 측정 단계에서는 외부 제어기(200)에 설치된 대기압센서(220)를 통해 대기압을 측정하고(S342), 측정된 대기압과 표준 대기압의 차이의 절대값이 설정된 제2임계값보다 큰지 여부를 판단하여(S352), 측정된 대기압과 표준 대기압의 차이의 절대값이 제2임계값 보다 크면, 가스 측정값에 대한 온/습도 및 압력 보정을 실시하여 정확한 가스 농도값을 산출하고(S362), 산출된 가스 농도값을 외부로 송출할 수 있다.(S366) 다만, 상기 측정된 대기압과 표준 대기압의 차이의 절대값이 제2임계값 보다 작은 경우에는 압력 보정 없이 가스 측정값을 출력할 수 있다.(S354)
그리고, 도 11은 전술된 도 10의 제어로직에서 (S352) 단계가 생략된 것으로서, (S330) 단계 이후의 압력 측정 단계에서 외부 제어기(200)에 내장된 대기압센서(220)를 통해 대기압을 측정한 후(S344), 상기 측정된 대기압을 토대로 보상 수식을 통해 가스 측정값에 대한 온/습도 및 압력 보상을 실시하여 최종 가스 농도값을 산출하게 된다.(S364)
도 12는 가스감지센서 또는 외부 제어기에 설치된 압력센서를 통한 압력 보상에 의해 가스 농도 산출값의 정밀도가 향상되었음을 실험으로 보여주는 그래프이다.
여기서, 그래프의 가로축은 압력값을 나타내고, 세로축은 가스 농도값의 오차를 나타낸다. 도 12에 도시된 그래프에서 확인되는 바와 같이, 가스 압력 또는 대기압이 상대적으로 낮은 구간에서는 압력 보상을 통해 가스 측정값에 대한 오차가 감소되어 가스 농도 측정값에 대한 정밀도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 가스감지센서의 내부에 가스의 압력을 측정할 수 있는 압력센서를 설치하거나, 가스감지센서의 외부에 대기압을 측정할 수 있는 대기압센서를 설치하여, 상기 압력센서 또는 대기압센서를 통해 측정된 압력값을 기반으로 산출된 가스 농도값에 대한 보정이 이루어지게 됨으로써 실제 가스 농도값과 근접한 정확한 수준의 가스 측정값을 도출해낼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다
100 : 가스감지센서 102 : 하우징
104 : 장착부 106 : 커넥터부
110 : 기판 120 : 가스감지부
130 : 온/습도센서 140,210 : 연산부
150 : 유입구 152,154 : 제1,2유입구
160 : 필터 170 : 지지부재
180 : 탄성체 190 : 압력센서
200 : 외부 제어기 220 : 대기압센서
104 : 장착부 106 : 커넥터부
110 : 기판 120 : 가스감지부
130 : 온/습도센서 140,210 : 연산부
150 : 유입구 152,154 : 제1,2유입구
160 : 필터 170 : 지지부재
180 : 탄성체 190 : 압력센서
200 : 외부 제어기 220 : 대기압센서
Claims (12)
- 하나 이상의 열원과 감지체를 구비하고, 기판의 하부 측에 위치한 가스감지영역 내부에 설치되어, 유입구를 통해 유입된 가스와 상기 감지체의 접촉에 따라 발생되는 열전도량 변화를 기반으로 가스의 농도를 감지하는 가스감지부;
상기 가스감지영역 내부에서 상기 가스감지부와 일정거리 이격된 위치에 배치되며 유입구를 통해 유입된 가스의 온도 및 습도를 측정하는 온/습도센서;
상기 가스감지영역으로부터 수평방향으로 일정거리 이격된 위치에서 기판의 상부 측에 배치되며, 상기 가스감지부와 온/습도센서로부터 각각 입력되는 데이터 신호를 기반으로 가스 농도 산출을 위한 연산작업을 수행하는 연산부;
를 포함하되,
상기 가스감지영역은,
상기 가스감지부가 위치하는 제1영역과, 상기 온/습도센서가 위치하는 제2영역을 포함하고,
상기 제1영역과 제2영역 내부로 외부 가스의 유입이 동시에 이루어지고,
상기 유입구는 격벽을 통해 제1유입구와 제2유입구로 구획되어, 상기 제1영역은 제1유입구 상부 측에, 상기 제2영역은 제2유입구 상부 측에 위치하며,
상기 격벽의 상단 부분에 필터가 안착되고,
상기 가스감지영역의 외측에는 상기 기판을 탄성적으로 지지하는 탄성체가 설치되되, 상기 탄성체는 상기 기판과 하우징 사이를 밀폐하며,
상기 가스감지영역과 상기 탄성체의 사이에는 중공형 원통 모양의 지지부재가 안착되되,
필터의 가장자리 부분이 지지부재와 하우징 사이에 개재되어 필터 하부 중앙 부분의 격벽과 함께 필터에 고정력이 부여되는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서.
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- 제1항에 있어서, 상기 열전도식 가스감지센서의 내부에는 상기 유입구를 통해 유입된 가스의 압력을 측정할 수 있는 압력센서가 구비되며,
상기 압력센서를 통해 측정된 압력값을 기반으로 가스 농도의 보정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서.
- 제1항에 있어서, 상기 연산부는 외부의 제어기와 연결되어 상기 제어기와 데이터 신호를 송/수신하는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서.
- 제5항에 있어서, 상기 가스감지부는 상기 온/습도센서, 압력센서를 통해 측정된 데이터 신호를 직접 취득하여 내부에서 자체 보정한 후 상기 연산부로 출력하는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서.
- 제6항에 있어서, 상기 연산부는 상기 외부의 제어기에 내장된 또 다른 연산부와 연결되어 상호 간에 데이터 신호를 송/수신하되,
상기 제어기에 내장된 대기압센서를 통해 측정된 대기압 데이터 신호를 기반으로 상기 외부의 제어기 내의 연산부에서 자체 보정한 후 상기 가스감지센서의 연산부로 출력하는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서.
- (a) 연산부에서 가스감지센서의 정상작동 여부를 판단하는 단계;
(b) 격벽을 통해 구획된 제1유입구와 제2유입구로 유입된 가스는 상기 제1유입구와 제2유입구의 각 상부 측에 위치한 제1영역 및 제2영역으로 동시 유입되어 상기 제1영역에 위치하는 가스감지부와 제2영역에 위치하는 온/습도센서를 통해 가스 온도를 개별적으로 측정하고 습도를 측정하는 단계;
(c) 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온/습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은지 여부를 판단하는 단계;
(d) 상기 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온/습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은 것으로 판단되면, 온도 및 습도 보정값을 산출하는 단계;
(e) 상기 산출된 온도 및 습도 보정값을 기반으로 가스감지부에서 측정된 가스 농도의 보정을 수행하는 단계;
를 포함하되,
상기 (c) 단계에서 상기 가스감지센서의 내부 온도와 상기 온/습도센서를 통해 측정된 온도 차이의 절대값이 설정된 제1임계값보다 작은 것으로 판단된 경우, 가스의 압력을 측정하여 측정된 압력에 따른 가스 농도의 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 농도 측정방법.
- 제9항에 있어서, 상기 가스의 압력 측정은 가스감지센서 내부에 설치된 압력센서를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 농도 측정방법.
- 제9항에 있어서, 상기 가스의 압력 측정은 가스감지센서 외부에 설치된 압력센서를 통해 이루어지고,
상기 측정된 가스의 압력과 표준 대기압 차이의 절대값이 설정된 제2임계값보다 클 경우 압력 보정값을 산출하여 압력에 따른 가스 농도의 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 농도 측정방법.
- 제9항에 있어서, 상기 가스의 압력 측정은 가스감지센서 외부에 설치된 압력센서를 통한 대기압 측정으로 이루어지고, 상기 측정된 대기압에 따른 가스 농도의 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 열전도식 가스감지센서를 이용한 가스 농도 측정방법.
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