KR19980030875U - 유속 및 유량 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 제1 연산증폭기와, 상기 제1 연산증폭기의 반전단자에 연결되어 저항에 의해 분압된 기준전압을 인가하는 기준전압공급부와, 상기 제1 연산증폭기의 비반전단자에 연결되어 온도변화를 전압변화로 변환하여 출력하는 열전대(thermopile) 소자와, 상기 열전대 소자에 연결되는 온도보상소자와, 상기 제1 연산증폭기의 출력단에 연결되어 전압변화값을 소정의 크기로 증폭시키는 제2 연산증폭기를 포함하여 구성됨으로써,
PTC특성을 이용하지 않고 열기전력을 이용하기 때문에 측정오차를 줄일 수 있으며, 박막공정으로 열전자 소자를 형성하기 때문에 균일성(uniformity)을 향상되고 오염이 줄어서 신뢰성을 높일 수 있다.
Description
본 고안은 유속 및 유량 측정장치에 관한 것으로서 특히, 열전대 소자를 사용하여 감지능력을 향상시킨 유속 및 유량 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 가열된 물체가 유체속에 놓여 있으면 상기 물체에서 잃게되는 열량은 유체의 유속 또는 유량과 일정한 관계가 설립된다. 유속 및 유량과 손실열량과의 관계를 이용하여 열전대식 유속계 및 유량계가 개발되었다. 그 대표적인 예로서 에어플로우 센서(Air Flow Sensor)가 있다.
상기 에어플로우 센서(Air Flow Sensor)의 종류로는 열선식과 핫필름(hot film)식이 있다.
상기 열선식 에어플로우 센서는 가열한 가는 금속선을 유체중에 두어 흐름에 따른 열의 손실을 감지하여 유속 및 유량을 판단하는 것으로서, 상기 금속선의 형태에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 I형 프로브, X형 프로브, V형 프로브로 나누어진다. 이때, 상기 금속선은 Pt wire 또는 stainless steel wire를 사용한다.
상기와 같은 열선식 에어플로우 센서는 금속선의 PTC 또는 NTC 특성에 따라 냉각에 의하여 금속선의 저항값이 변화하게 되고, 브릿지회로를 이용하여 전압값을 측정함으로서 유속 및 유량을 판단하게 된다.
한편, 상기 핫필름식 에어플로우 센서는 상기의 열선식 에어플로우 센서에서 금속선을 사용하지 않고 유리나 세라믹 표면에 금속박막을 증착하여 사용하는데, 그 동작원리는 상기의 열선식 에어플로우 센서 경우와 동일하며, 상기 금속박막의 형태에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 쐐기형, 원추형, 원통형으로 나누어진다.
종래 기술에 의한 유속 및 유량 측정장치는 도 3에 도시된 바와 같이 브릿지회로를 구성한다.
도 3에서 참조부호 Ein은 입력전압을 나타내고, Eab는 출력전압을 나타내며, F1,F2는 온도에 따라 저항값이 변화되는 백금 와이어를 나타내고, R1,R2는 고정 저항값을 나타낸다.
상기와 같이 구성된 회로에서 입력전압(Ein)이 인가되면 백금 와이어(F1,F2)가 가열되어 도 4에 도시된 바와 같이 온도에 따른 저항률의 변화를 나타낸다. 이때, 제2 백금 와이어(F2)의 주위에 유속이 발생하면 상기 제2 백금 와이어(F2)에서는 도 4에 도시된 바와 같은 열손실과 유속과의 관계에 의해 열손실이 발생하고, 그에 따라 TCR 특성에 의해서 저항값이 변화된다.
상기의 저항값 변화는 a점에서의 전위()를 변화시키기 때문에 출력전압(Eab)이 변경되어 그 열손실을 나타내게 된다. 이때, b점에서의 전위는이고, 출력전압은 Eab = Vb - Va 이다.
상기와 같은 종래의 유속 및 유량 측정장치는 백금 와이어를 사용하기 때문에 도 4에 도시된 바와 같이 백금측온저항체가 온도에 따른 저항의 변화가 작고, 직선성(Linearity)이 좋지 않아서 정밀도가 떨어지는 문제점이 있으며, 그를 해소하기 위해서는 별도의 보상회로를 구비하여야 하는 문제점이 있었다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 열전대 소자를 사용하여 유체의 흐름에 따라 접촉되는 이종 금속에서 열량이동에 따른 온도변화를 전압변화로 변환하여 측정함으로서 정밀도를 향상시킨 유속 및 유량 측정장치를 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 열선식 에어플로우 센서의 종류를 나타내는 도면,
도 2는 일반적인 핫필름식 에어플로우 센서의 종류를 나타내는 도면,
도 3은 종래 기술의 구성을 나타내는 회로도,
도 4는 온도와 저항의 관계를 나타내는 그래프,
도 5는 열선의 열손실과 유속과의 관계를 나타내는 그래프,
도 6은 본 고안의 구성을 나타내는 회로도,
도 7은 본 고안에 의한 열전대 소자를 나타내는 도면,
도 8은 본 고안에 의한 열기전력을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 고안의 다른 실시예를 나타내는 도면.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징은 제1 연산증폭기와, 상기 제1 연산증폭기의 반전단자에 연결되어 저항에 의해 분압된 기준전압을 인가하는 기준전압공급부와, 상기 제1 연산증폭기의 비반전단자에 연결되어 온도변화를 전압변화로 변환하여 출력하는 열전대 소자와, 상기 열전대 소자에 연결되는 온도보상소자와, 상기 제1 연산증폭기의 출력단에 연결되어 전압변화값을 소정의 크기로 증폭시키는 제2 연산증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유속 및 유량 측정장치를 제공한다.
본 고안의 실시예에 의하면, 상기 열전대 소자는 기판과, 상기 기판의 중앙부 상에 사각의 형태로 증착된 열전자 소자와, 상기 열전자 소자의 주위에 배치된 열전대군을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 열전자 소자는 감지부가 분리되는 접지형을 사용하거나, 감지부가 서로 접촉되는 비접지형을 사용할 수 있다.
이하, 본 고안에 의한 유속 및 유량 측정장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 고안에 의한 유속 및 유량 측정장치의 구성을 나타내는 회로도이고, 도 7은 본 고안에 의한 열전대를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 고안에 의한 열전대에서 발생되는 열기전력을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 고안의 유속 및 유량 측정장치는 제1 연산증폭기(10)의 반전단자에 기준전압공급부(20)를 연결하여 저항에 의해 분압된 기준전압을 인가하고, 상기 제1 연산증폭기(10)의 비반전단자에는 열전대 소자(30)를 연결하여 온도변화를 전압변화로 변환하여 출력하고, 상기 열전대 소자(30)에는 온도보상소자(40)가 연결되고, 상기 제1 연산증폭기의 출력단에는 전압변화값을 소정의 크기로 증폭시키기 위한 제2 연산증폭기(50)가 연결되어 구성된다.
도 7을 참조하면, 상기 열전대 소자(30)는 기판(31)의 중앙부 상에 사각의 형태로 열전자 소자(32)를 증착시키고, 상기 열전자 소자(32)의 각 변과 소정의 간격을 두고 그 주위에 열전대군(33)을 배치시킨다.
도 8을 참조하면, 상기 열전대군(33)은 이종의 금속을 접속시켜 이루어지는데, 그 배열이 지그재그(zigzag) 형태로 이루어진다. 이때, 전체 출력전압의 변화는 각 접속점 사이의 전압변화의 합이 된다. (ΔV = ΔV1 + ΔV2 + ... +ΔVn)
상기와 같이 구성된 본 고안은 두가지의 다른 금속선을 접속하여 두 접점 사이에 온도차를 주면 회로에 전류가 흐르는 원리를 이용한 것이다.
먼저, 도 7에서와 같이 기판(31) 위에 박막공정을 이용하여 직렬로 접속되는 열전자 소자(32)를 형성하고, 이를 유속 발생부분에 장착하므로써 열손실에 따라 상기 열전대군(33)에서 열기전력(ΔV)이 발생하고, 그 열기전력을 이용하여 유속 및 유량을 감지할 수 있게 된다.
한편, 상기 열전자 소자(32)는 도 9에 도시된 바와 같이 감지부분이 분리되어 있는 접지형을 사용하거나, 감지부분이 접촉되어 있는 비접지형을 사용하는 데, 열전달부(A)는 요철(凹凸) 형태로 형성된다.
이상에서 설명한 본 발명의 유속 및 유량 측정장치는 PTC특성을 이용하지 않고 열전대를 사용하여 열기전력을 이용하기 때문에 측정오차를 줄일 수 있으며, 박막공정으로 열전대를 형성하기 때문에 균일성(uniformity)을 향상시킬 수 있는 동시에 제조공정시 오염을 줄일 수 있어서 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 제1 연산증폭기와, 상기 제1 연산증폭기의 반전단자에 연결되어 저항에 의해 분압된 기준전압을 인가하는 기준전압공급부와, 상기 제1 연산증폭기의 비반전단자에 연결되어 온도변화를 전압변화로 변환하여 출력하는 열전대(thermopile) 소자와, 상기 열전대 소자에 연결되는 온도보상소자와, 상기 제1 연산증폭기의 출력단에 연결되어 전압변화값을 소정의 크기로 증폭시키는 제2 연산증폭기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유속 및 유량 측정장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 열전대 소자는 기판과, 상기 기판의 중앙부 상에 사각의 형태로 증착된 열전자 소자와, 상기 열전자 소자의 주위에 배치된 열전대군을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유속 및 유량 측정장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 열전자 소자는 감지부가 분리되어 있는 접지형으로 형성된 것을 특징으로 하는 유속 및 유량 측정장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 열전자 소자는 감지부가 접촉되어 있는 비접지형으로 형성된 것을 특징으로 하는 유속 및 유량 측정장치.
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