KR19980076201A - 측온저항소자를 이용한 온도측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회로구성요소 부품의 오차 및 경시변화, 전원변동에 따른 입력오차 발생의 문제를 해소하여 정확한 온도를 측정하기 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 측온저항소자를 이용한 온도측정장치는 측온저항소자(Rt)의 양단에 걸리는 전압(Va, Vb)과 기준전압(Vr)을 입력하므로서 출력에 선택적으로 연결해 주는 멀티플렉서부(MUX부)와, 멀티플렉서부에서 출력된 값을 증폭시키는 증폭부와, 증폭된 값을 디지탈 값으로 변환시키는 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)와, 변환되어진 디지탈 값을 저장하는 메모리와, 메모리에 저장된 값을 연산처리하는 마이크로 프로세서(CPU) 및 마이크로 프로세서(CPU)에서 연산처리된 값으로 온도값을 구하게 되는 온도-저항표로 구성된다.

Description

측온저항소자를 이용한 온도측정장치

본 발명은 측온저항소자의 입력을 받아서 온도를 측정하는 장치에서, 센서입력인 저항값을 검출하는 회로에 사용되는 기준전압의 실측에 관한 것으로, 특히 센서입력 정밀도를 향상시키기 위한 발명에 관한 것이다.

온도는 산업분야에서 취급하는 많은 물리량 중의 하나이다. 온도를 측정하는 센서 중에 측온저항소자라는 것이 있는데, 이 센서는 대상체의 온도를 그에 상응하는 저항값으로 변환하여 준다. 이 성질을 사용하여 온도를 측정하게 되는데, 온도에 대응하는 저항값은 회로상에서 전압 또는 전류로 변환되어 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)를 거쳐서 마이크로 프로세서(CPU)에 입력된다. 이 값을 온도-저항표(산업계 규격)에 의해 만들어진 ROM-TABLE을 사용하여 온도값으로 환산하게 된다. 저항을 전압 또는 전류로 변환하여 주는 회로방식에는 여러가지가 있는데 그중에 본 발명에서 다루고 있는 회로방식은 3선식 저항회로이다.

종래기술 구성을 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다.

측온저항소자를 사용하여 온도를 측정하기 위해서는, 센서에서 나오는 저항값을 전압이나 전류로 바꾸어주는 회로(입력회로)가 필요하다.

저항(R) = 전압(V)/전류(I)(옴의 법칙)에 의해서 저항 양단의 전압과 저항을 흐르는 전류를 알고 있으면 저항값을 구할 수 있다.

도 1에서처럼 측온저항소자 입력 Rt의 양단에 전압(Va, Vb)을 발생시키려면 전류를 흘러주어야 하는데 이를 위해서 일정한 전압(기준전압(Vr))이 필요하다. 이 기준전압은 도 2의 기준전압발생부에 의해서 만들어진다.

도 2의 기준전압발생부는 전압원(Vs)을 배율하여 기준전압(Vr)을 만드는데, 이 배율하는 과정에서 배율저항의 비(R2/R1)의 경시변화, 전압원(Vs)의 변동과 같은 하드웨어 오차가 발생하게 된다.

도 1에서 나타난 바와 같이, 기준전압(Vr)은 저항(Rb1, Rb2)을 거쳐서 측온저항소자 센서저항인 입력저항(Rt)의 양단에 인가된다. 이 전압과 접지간의 전위차에 의해서 Rb1, Rb2, Rt 저항에 전류가 흐르게 된다. 이 전류에 의해서 각 저항에 전압강하(전압차)가 발생하게 되므로 Rt 양단에 전압 Va와 Vb가 발생한다.

기준전압발생부는 도 2에서 나타난 바와 같이, 전압원(Vs)은 반전 OP-AMP(연산증폭기) 회로에 의해서 Vr = -(R2/R1)*Vs의 기준전압을 만들어 준다. 이 때 증폭률(R2/R1)은 가변저항(R2)을 조정해서 맞춘다. 전압원(Vs)은 저항(R1)에 직렬로 접속되고 OP-AMP의 +단자와 -단자 간에는 전류가 거의 흐르지 않으므로 전류(I3)는 가변저항(R2)으로 흐르게 된다. I3 = (Vs-V0)/R1 = (V0-Vr)/R2 식에 의해서 기준전압(Vr)이 구해진다.

도 3은, 측온저항소자(Rt) 양단의 전압(Va, Vb)을 마이크로 프로세서(CPU)로 받아들이는 과정을 기능별로 블록화한 도면이다. 전압 Va와 Vb를 하나의 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)를 사용하여 디지탈 값으로 변환하기 위해서 순차적으로 입력받는다. 이때, 멀티플렉서부를 사용하여 입력받는데 멀티플렉서부는 일련의 제어신호를 사용하여 여러 개의 입력을 한 개의 출력에 선택적으로 연결해 주는 디바이스이다. 멀티플렉서부(MUX부)에서 전압(Va)을 선택하여 증폭부에 연결해 준다. 전압(Va, Vb)은 수 ㎷의 미세신호이다. 그러므로 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)에 맞는 전압레벨로 증폭해 주어야 한다.

이 증폭된 신호는 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)를 거쳐서 디지탈 값으로 변환되고 이 값을 마이크로 프로세서에 저장한다. 또 다른 전압(Vb)도 같은 순서로 마이크로 프로세서에 저장하게 된다.

연산부는 이 두 전압을 연산하여 저항값 Rt를 구하고, 이 값으로 온도-저항표(센서규격표)에서 해당 온도 값을 구하게 된다.

전압(Va, Vb)을 구하기 위해서 사용한 기준전압(Vr)은 하드웨어적인 방법으로 조정하는데 이 때 전압원(Vs)을 배율하여 기준전압(Vr)을 만드는데, 이 배율하는 과정에서 배율저항의 비(R2/R1)의 경시변화 및 전압원(Vs)의 변동에 따른 오차가 발생할 수 있고 이것은 센서입력 정밀도에 영향을 미치게 된다. 또한, 종래에는 하드웨어 변동에 따른 하드웨어적으로 생기는 오차에 의해 정확한 온도를 측정할 수 없었다.

본 발명은 종래기술의 문제점인, 회로구성요소 부품의 오차 및 경시변화, 전원변동에 따른 입력오차 발생의 문제를 해소하여 정확한 온도를 측정하기 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은, 측온저항소자의 저항값을 검출하기 위한 회로.

도 2는, 기준전압 발생회로.

도 3은, 종래의 측온저항소자의 저항값을 마이크로 프로세서(CPU)로 읽어들이는 기능 블록도.

도 4는, 본 발명의 측온저항소자의 저항값을 마이크로 프로세서(CPU)로 읽어들이는 기능 블록도.

도 5는, 기준전압 보상순서를 나타내는 플로우챠트.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

(Vr) ------------------------------- 기준전압,

(Va, Vb) --- 측온저항소자 입력저항의 양단전압,

(Vs) --------------------------------- 전압원,

(Rb1, Rb2, R1) ------------------------- 저항,

(R2) ------------------------------- 가변저항,

(Rt) --------------------------- 측온저항소자,

(r1, r2, r3) ------------------- 도선고유저항.

상기의 본 발명의 목적은 다음과 같이 구성되는 본 발명의 측온저항소자를 이용한 온도측정장치에 의해 달성될 수 있다.

즉, 본 발명의 목적은, 온도에 따라 자체저항이 변화하는 측온저항소자(Rt)와, 측온저항소자의 양단 각각에 접속되어 일정 기준전압을 각각의 분배비율로 상기 측온저항소자에 인가하는 전압분배용 저항(Rb1, Rb2)과, 상기 일정 기준전압을 상기 전압분배용 저항에 인가하는 기준전압 발생부로 구성되어 기준전압신호(Vr)와 상기 측온저항소자 양단의 전압신호(Va, Vb)의 3종의 신호를 출력하는 입력신호 발생부와, 상기 입력신호 발생부에 접속되어 이 입력신호 발생부로부터의 3종의 입력신호중 어느 하나를 선택하여 출력하는 멀티플렉서부와, 멀티플렉서부의 출력신호를 증폭하는 증폭부와, 증폭부로부터 출력된 아날로그 전압신호를 디지탈신호로 변환하는 아날로그 디지탈변환부와, 상기 멀티플렉서부에 제어신호를 출력하여 멀티플렉서부에 입력되는 3종의 입력신호를 선택하고, 아날로그 디지탈변환기로부터 입력되는 3종의 디지탈전압값을 이용하여 측온저항소자의 저항값을 산출하고, 기억되어 있는 온도대저항표데이터를 이용하여 온도값을 산출하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 측온저항소자를 이용한 온도측정장치에 의해서 달성된다.

이와 같은 본 발명의 구성과 작용효과를 그 실시예를 도시한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래기술 도면의 도 1과 도 2는 본 발명에서도 같이 사용된다.

도 4는, 본 발명의 측온저항소자 센서의 저항값을 마이크로 프로세서로 읽어들이는 기능 블록도이다.

측온저항소자를 이용한 온도측정장치는, 측온저항소자(Rt)의 양단에 걸리는 전압(Va, Vb)을 검출하기 위한 회로와, 상기한 측온저항소자 센서저항(Rt) 양단의 전압발생에 필요한 기준전압(Vr)의 발생을 위한 기준전압발생부로 이루어지는 입력신호발생부와, 이 입력신호발생부로부터 상기한 측온저항소자(Rt)의 양단에 걸리는 전압(Va, Vb)과 상기한 기준전압(Vr)을 입력하므로서 출력에 선택적으로 연결해 주는 멀티플렉서부(MUX부)와, 상기한 멀티플렉서부(MUX부)에서 출력된 값을 증폭시키는 증폭부와, 상기한 증폭부에서 증폭된 값을 아날로그 값에서 디지탈 값으로 변환시키는 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)와, 상기한 아날로그/디지탈 변환부(A/D 변환부)에서 변환되어진 디지탈 값을 저장하는 메모리와, 상기한 메모리에서 저장된 값을 연산처리하는 마이크로 프로세서(CPU) 및 상기한 마이크로 프로세서(CPU)에서 연산처리된 값으로 온도값을 구하게 되는 온도-저항표로 구성된다.

또한, 도 1과 같은 회로방식을 3선식 저항 검출회로라고 한다. 3선식 회로를 사용하는 이유는 도선의 저항성분을 배제할 수 있기 때문이다. 도 1로부터 저항값 Rt식을 구해보면 다음과 같다.

I1 = (Vr-Va)/Rb1 ----------〈식 1〉

I2 = (Vr-Vb)/Rb2 ----------〈식 2〉

Va = (r1+Rt)*I1+r3*(I1+I2) ----------〈식 3〉

Vb = r2*I2+r3*(I1+I2) ----------〈식 4〉

여기서 도선고유저항 r1 = r2 = r3 = r이라 하면(즉, 센서보상도선(온도측정시 오차가 생김)을 사용하는 경우) 식 3, 4는 다음과 같이 된다.

Va = (r+Rt)*I1+r*(I1+I2) = (2r+Rt)*I1+r*I2 ----------〈식 5〉

Vb = r*I2+r*(I1+I2) = 2r*I2+r*I1 ----------〈식 6〉

식 5와 식 6을 정리하면

Rt = (Va-r*I2-2r*I1)/I1 ----------〈식 5'〉

r = Vb/(2*I2+I1) ----------〈식 6'〉

식 6'을 식 5'에 대입하여 정리하면

Rt = [Va-｛Vb*(I2+2*I1)/(2*I2+I1)}]/I1 ----------〈식 7〉

식 7에 식 1, 식 2를 대입하고 Rb1 = Rb2 = Rb일 때 식을 정리하면

Rt =[Rb*(Va-Vb)*(3Vr-Va-Vb)]/[(Vr-Va)*(3Vr-Va-2Vb)] ---------〈식 8〉

식 8에서 보면 도선 자체의 저항값은 Rt 값과 무관함을 알 수 있다(3선식 회로에서는 도선의 저항 성분을 배제하기 때문임).

한편, 식 8에서 Rt 값은 전압(Va, Vb, Vr)과 저항(Rb)에 의해서 결정된다.

여기서 기준전압(Vr)은 도 2의 기준전압발생부에서 만들어진다. 이 회로에서 가변저항(R2)을 조절하여 원하는 기준전압(Vr)을 하드웨어적으로 얻는다. 이 가변저항(R2)의 값이 변하면 기준전압(Vr) 또한 변하게 되고, 이로 인하여 Rt 양단의 전압(Va, Vb)이 변하게 된다. 그러므로, 측온저항소자의 저항값인 입력저항값(Rt)의 오차가 발생하게 된다. 이를 하드웨어적으로 보완하려면 매번 가변저항(R2) 값을 조정해 주어야 한다. 또, 전원변동에 의해 전압원(Vs)이 변하면 이 또한 기준전압(Vr)이 변하는 요인이 된다.

이와 같은 문제점을 본 발명에서는 기준전압(Vr)이 변동하는 것을 실측하여 그 오차를 직접 보상해 주는 것에 의해 해결한다.

측온저항소자 센서저항값(Rt)을 구하기 위한 전압(Va, Vb, Vr)을 디지탈 값으로 변환하기 위해서 도 4의 멀티플렉서부에서는 순차적으로 입력되는 전압을 증폭부에 연결해 준다.

다음은 기준전압 보상순서를 나타내는 플로우챠트인 도 5를 참조하여 설명한다.

마이크로 프로세서에서는 멀티플렉서부를 제어하여 1번스위치를 증폭부에 연결한다. 전압(Va)은 일정한 배율로 증폭되고 이 증폭된 전압은 아날로그/디지탈 변환부를 통해 디지탈 값으로 변환되어 연산부 내의 메모리에 저장된다. 다시 제어신호를 2번스위치 선택으로 하면 전압(Vb)이 증폭부에 연결된다. 이 값 역시 디지탈 값으로 변환되어서 메모리에 저장된다. 제어신호가 3번스위치를 선택하면 기준전압(Vr)이 증폭부에 입력되고 이 증폭된 전압(증폭률은 (Va, Vb)과 다름 : 전압크기가 상대적으로 크다.)은 변환기를 거쳐서 연산부에 입력된다. 변환된 이 3개의 전압값을 사용하여 연산부의 CPU에서 식 8을 연산처리하면 입력된 센서 저항값이 구해진다. 이 저항값을 연산부에서 온도-저항표에 대입하여 온도값을 찾는다.

본 발명에서는 센서입력저항 양단의 전압과 더불어서 하드웨어적으로 변동이 가능한 기준전압을 아날로그/디지탈 변환하여 소프트웨어적으로 보상처리하므로서 변동에 의한 오차성분을 제거할 수 있다. 또한, 별도의 하드웨어적인 추가없이 소프트웨어적으로 보상할 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래에는 식 8의 Vr값을 상수로 대입하여 Vr값의 변동분(하드웨어 변화)에 대한 오차를 보상할 수가 없었는데, 본 발명에서는 기준전압값을 실제로 계산에 대입하므로서 그 변동분을 Rt값에 반영할 수 있게 하고 있다. 이로 인하여, 기준전압의 변동으로 인한 Rt값의 오차를 보상해 주므로서 좀더 정확한 온도를 측정하게 된다.

Claims (1)

1. 온도에 따라 자체저항이 변화하는 측온저항소자(Rt)와, 측온저항소자의 양단 각각에 접속되어 일정 기준전압을 각각의 분배비율로 상기 측온저항소자에 인가하는 전압분배용 저항(Rb1, Rb2)과, 상기 일정기준전압을 상기 전압분배용 저항에 인가하는 기준전압발생부로 구성되어 기준전압신호(Vr)와 상기 측온저항소자 양단의 전압신호(Va, Vb)의 3종의 신호를 출력하는 입력신호 발생부와;

   상기 입력신호 발생부에 접속되어 이 입력신호 발생부로부터의 3종의 입력신호중 어느 하나를 선택하여 출력하는 멀티플렉서부와;

   멀티플렉서부의 출력신호를 증폭하는 증폭부와;

   증폭부로부터 출력된 아날로그전압신호를 디지탈신호로 변환하는 아날로그 디지탈변환부와;

   상기 멀티플렉서부에 제어신호를 출력하여 멀티플렉서부에 입력되는 3종의 입력신호를 선택하고, 아날로그 디지탈변환기로부터 입력되는 3종의 디지탈전압값을 이용하여 측온저항소자의 저항값을 산출하고, 기억되어 있는 온도대저항표데이터를 이용하여 온도값을 산출하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 측온저항소자를 이용한 온도측정장치.