KR20000029342A

KR20000029342A - 온도감지장치

Info

Publication number: KR20000029342A
Application number: KR1019990046773A
Authority: KR
Inventors: 이군석; 임정현
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1998-10-31
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2000-05-25
Also published as: GB2343246A; JP2000146701A; CN1253287A; KR100370001B1; GB9925850D0

Abstract

본 발명은 센서의 오염을 방지할 수 있고 또한 정확한 온도측정이 가능한 온도감지장치에 관한 것으로서, 본 발명은 피감지체에서 방출되는 적외선을 전기적 신호를 변환하는 센서와, 상기 센서를 내장하며, 상부에는 상기 적외선이 통과하는 감지공이 형성된 센서캡을 포함하여 이루어지는 온도감지장치를 제공한다.

Description

온도감지장치{TEMPERATURE SENSING DEVICE}

본 발명은 온도감지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도를 감지하고자 하는 대상물(이하 "피감지체")에서 발생하는 적외선을 이용하여 온도를 감지하는 온도감지장치에 관한 것이다.

일반적으로 온도감지장치는 여러 분야에서 널리 이용되고 있다. 예를 들어 가스오븐이나 마이크로웨이브 오븐과 같은 조리기기에서도 음식물의 온도를 감지하기 위하여 사용된다. 특히, 상기 조리기기의 자동조리모드에서는 음식물의 온도를 측정하고, 그에 따라서 조리기기의 운전조건을 제어하게 된다.

그런데, 이러한 조리기기에서는 일반적인 온도감지장치 예를 들어 통상의 수은주방식의 온도계 등과 같이 피감지체에 직접 접촉하는 온도감지장치를 사용하기가 곤란하다. 따라서 피감지체에서 복사되는 전자기파 예를 들어 적외선을 이용하여 온도를 감지하는 온도감지장치가 사용된다.

도 1을 참조하여, 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치를 설명하면 다음과 같다.

적외선을 이용한 온도감지장치는 센서(5)와, 반사경(3) 및 적외선 필터(1)로 구성된다.

상세히 설명하면, 센서(5)는 피감지체에서 발생하는 적외선을 감지하여 이를 전기적 신호로 변환하는 역할을 하며, 상기 센서(5)의 상부에는 적외선을 상기 센서(5)로 집중시키는 소정 곡률을 가지는 반사경(3)이 설치된다. 그리고 상기 반사경(3)의 입구측에는 여러 가지 종류의 전자기파 중에서 적외선만을 통과시키는 적외선 필터(1)가 설치된다.

여기서, 상기 센서(5)는 적외선에 의하여 가열되는 흑체와, 상기 흑체의 열에 의하여 열기전력을 발생시키는 써모파일(thermpile) 등으로 이루어진다.

한편, 상기 센서(5)에서 나오는 전기적 신호는 매우 미세하므로 통상 상기 센서(5)는 전기적 신호를 증폭하는 신호처리부(10)에 연결된다. 즉, 상기 신호처리부(10)의 출력 신호에 의하여 피감지체의 온도를 측정하게 된다.

도 2를 참조하여, 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치의 다른 예를 설명하면 다음과 같다.

센서(5)의 상부에는 케이싱(4)이 설치되며, 상기 케이싱(4)의 입구측에는 적외선을 센서(5)로 집중시키는 볼록렌즈(2)가 설치된다. 그리고 상기 센서(5)에는 역시 신호처리부(10)가 연결된다.

즉, 종래의 다른 예에서는 반사경대신에 볼록렌즈(2)가 사용되며, 동작원리는 상술한 종래의 예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상술한 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 도 1과 같은 반사경방식 온도감지장치의 경우에는 피감지체에서 나오는 적외선을 센서(5)로 정확히 집중시키기 위해서는 반사경(3)의 내면을 정밀 가공하여야 한다. 그러나, 현실적으로 반사경(3)을 원하는 정밀도로 가공하여 사용하는 것이 매우 어렵다. 왜냐하면, 반사경(3)을 소정 정도 이상의 정밀도로 가공하려면 제조원가가 너무 상승하게 되고, 그 이하로 가공하게 되면 반사경(3)의 표면에서 난반사가 일어나 정확한 온도측정이 어렵기 때문이다.

둘째, 적외선필터(1)는 적외선만을 통과시키는 기능을 가지지만, 이외에도 센서(5)에 수증기 등과 같은 이물질이 직접 부착하는 것을 방지하는 기능도 가진다. 그러나, 이 경우에 적외선필터(1)에 의하여 센서(5)에 이물질이 직접 부착되는 것은 방지할 수는 있지만 적외선필터(1)의 표면에 이물질이 부착되는 것은 피할 수 없다. 더구나, 반사경방식 온도감지장치의 구조상 적외선필터(1)는 소정 크기 이상이 되어야 하므로 오염될 확률이 높다. 이렇게 되면 피감지체에서 나오는 적외선 중 일부만이 센서(5)로 입사되므로 정확한 온도측정이 어렵게 된다.

도 2와 같은 볼록렌즈방식 온도감지장치에서도 상술한 반사경방식 온도감지장치와 유사하게 소정 정도 이상의 정밀도로 볼록렌즈(2)를 가공하기가 어렵다는 점과, 볼록렌즈(2)가 이물질에 의하여 오염되어 온도측정의 정밀도가 저하한다는 문제점이 있다.

한편, 적외선필터(1) 또는 볼록렌즈(2)의 오염을 방지하기 위하여 이들의 전면에 보호창을 설치하는 방식도 있으나, 이러한 방식에서도 상기 보호창의 오염을 완전히 방지할 수 없으므로 정확한 온도측정이 어렵다는 문제점이 발생한다.

셋째, 종래의 온도감지장치의 또 다른 문제점으로는 설계 자유도의 저하를 들 수 있다. 즉, 온도감지장치의 설계시에는 측정온도범위, 온도감지장치의 사용 장소 및 피감지체의 특성 예를 들어 피감지체의 크기나 형상 등을 고려하여야 한다. 그러나 종래의 온도감지장치에서는 이러한 설계요구조건을 만족시킬 수 있는 반사경(3) 또는 볼록렌즈(2)의 설계 및 제작이 어렵다는 단점이 있다. 왜냐하면, 일반적으로 반사경(3)이나 볼록렌즈(2)의 크기나 곡률 등을 설계하기가 쉽지 않고, 설계하더라도 원하는 정도의 정밀도로 이들을 가공하기가 쉽지 않기 때문이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 구조가 간단하여 설계가 용이하면서도 피감지체의 온도를 정확히 측정할 수 있는 온도감지장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 센서의 오염을 효율적으로 방지할 수 있는 온도감지장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 2은 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 3는 본 발명에 따른 온도감지장치의 제1실시예를 도시한 단면도이다.

도 4는 도 3의 센서캡을 도시한 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 온도감지장치의 제1실시예의 변형예를 도시한 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 온도감지장치의 제2실시예를 도시한 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 온도감지장치의 제3실시예를 도시한 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 온도감지장치의 제3실시예의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 시야각에 따른 출력전압을 도시한 것으로서, 제1실시예 및 제3실시예를 각각 도시한 그래프이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 센서캡 30 : 센서

32 : 센서창 22 : 감지공

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피감지체에서 방출되는 적외선을 전기적 신호롤 변환하는 센서와, 상기 센서를 내장하며 상부에는 상기 적외선이 통과하는 감지공이 형성된 센서캡을 포함하여 이루어지는 온도감지장치를 제공한다.

여기서, 상기 센서캡은 중공의 통형상이며, 상기 감지공의 중심과 상기 센서의 센서창의 중심은 대략 일치하며, 상기 감지공의 크기는 상기 센서창의 크기보다 약간 크게 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 센서캡의 내벽에는 적외선을 흡수하는 비반사층이 형성되는 더욱 바람직하다.

이와 같이 구성하면 피감지체의 온도를 정확히 측정할 수 있고, 또한 구조를 간단하게 하는 것이 가능해진다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 센서캡을 도시한 사시도이다. 이를 참조하여 본 발명에 따른 온도감지장치의 제1실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 종래와는 달리 설계 및 가공이 곤란한 반사경이나 볼록렌즈를 사용하지 않는다. 즉 본 발명은 적외선을 전기적 신호를 변환하는 센서(30)와, 상기 센서(30)를 수용하며, 상부에는 상기 적외선이 통과할 수 있는 감지공(22)이 형성되는 센서캡(20)으로 이루어진다.

여기서, 상기 센서(30)는 상술한 종래의 온도감지장치용 센서와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하며, 상기 센서캡(20)을 설명하면 다음과 같다.

센서캡(20)은 내부에는 센서(30)가 수용되는 중공부가 형성된다. 그리고, 센서캡(20)의 상부에는 적외선이 통과하는 감지공(22)이 형성되며, 하부에는 센서(30)가 장착되는 회로기판(36) 위에 상기 센서캡(20)이 설치될 수 있도록 개구부가 형성된다.

즉, 본 발명에 따른 센서캡(20)은 센서(30)를 수용할 수 있도록 내부가 중공이며, 상부에는 적외선을 센서캡(20)의 내부로 통과시킬 수 있는 감지공(22)이 형성되면 사용 가능하다. 다만, 제작 등의 관점에서 보면 원통형, 즉 원형단면을 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 감지공(22)의 중심과 상기 센서(30)의 센서창(32)의 중심은 대략 일치하며, 상기 감지공의 크기(D1)는 센서창(32)의 크기보다 약간 큰 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이렇게 구성함으로써 반사경이나 렌즈를 사용하지 않고도 감지공(22)으로 유입되는 적외선을 센서창(32)으로 효율적으로 집중시킬 수 있기 때문이다.

또한, 감지공의 크기(D1)는 센서캡의 크기(D)보다는 상대적으로 작은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 감지공의 크기(D1)를 센서캡의 크기(D)보다는 비교적 작게 구성함으로써 센서캡(20)의 내부로 외부의 이물질이 유입하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

한편, 피감지체의 온도를 감지할 수 있는 범위인 시야각(θ)은 피감지체의 온도를 정확히 측정할 수 있도록 설정되어야 한다. 즉 시야각(θ)은 피감지체의 크기, 형상 등의 특성 및 온도감지장치의 설치위치 등을 고려하여 결정되며, 온도감지장치는 결정된 시야각(θ)을 가지도록 설계되어야 한다.

그런데, 종래의 온도감지장치에서는 시야각(θ)은 반사경 또는 렌즈의 크기, 곡률 등의 함수가 되므로, 결국 요구되는 시야각(θ)을 만족하도록 이와 같은 인자를 설계하여야 한다. 그러나, 요구되는 시야각(θ)을 만족하는 반사경 또는 렌즈의 크기, 곡률 등을 설계하는 것은 쉽지 않고, 이들을 설계하더라도 이들을 만족하는 반사경 또는 렌즈를 제작하는 것이 매우 어렵다.

그러나, 본 발명에 따른 온도감지장치에서는 시야각(θ)이 센서캡(20)에 형성된 감지공의 크기(D1) 및 센서캡의 높이(H)에 의하여 결정된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 요구되는 시야각(θ)을 만족하는 감지공의 크기(D1) 및 높이(H)를 결정하는 것이 비교적 간단하다. 또한, 센서캡(20)의 형상이 간단하므로 요구조건을 만족하는 센서캡(20)을 제작하는 것도 어렵지 않다.

한편, 만약 피감지체가 시야각(θ)의 범위안에 들어오도록 온도감지장치를 설치하였다면, 시야각 이외의 경로를 통하여 감지공(22)로 입사되는 적외선은 피감지체에서 발생되지 않은 노이즈성 적외선(도 3의 파선)으로 볼 수 있다. 이러한 노이즈성 적외선이 센서캡(20)의 내부로 입사되면 피감지체의 정확한 온도를 감지하기가 어렵다.

따라서, 노이즈성 적외선이 센서(30)에 입사하지 않도록 이를 흡수할 수 있는 비반사층(24)을 센서캡(20)의 내벽에 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 비반사층(24)은 적외선을 반사하지 않고 흡수할 수 있는 물질을 센서캡(20)의 내벽에 코팅하거나, 또는 별도의 부재를 만들어 센서캡(20)에 설치함으로써 얻을 수 있다.

한편, 적외선을 이용하는 온도감지장치의 원리는 상술한 바와 같이 일종의 열기전력을 이용하는 것이다. 따라서 피감지체의 온도를 정확히 측정하기 위해서는 온도감지장치의 센서(30)가 피감지체에서 발생하는 적외선에 의해서만 열기전력을 발생시키도록 하는 것이 바람직하다. 즉 온도감지장치와 그 주위의 온도 편차 및 온도감지장치 자체의 온도편차가 없는 것이 바람직하다.

이를 위하여, 센서캡(20)의 재질은 열전도성이 우수한 것이 바람직하다. 이렇게 구성하면, 센서캡(20) 자체의 온도편차 예를 들어 상부와 하부의 온도편차가 있을 경우에 빠른 속도로 열평형을 이루게 되므로 센서캡(20) 자체의 온도편차를 최소화할 수 있고, 이에 따라 센서(30)가 설치된 센서캡(20)의 내부의 온도편차도 최소화할 수 있다.

또한 도 5에 도시한 바와 같이, 센서캡(20)의 외벽에 단열수단(40)을 더욱 설치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 단열수단(40)에 의하여 외부의 열이 센서캡(20)의 내부로 전달되는 것을 효율적으로 방지할 수 있기 때문이다.

상술한 실시예에서는 적외선을 이용한 온도감지장치를 설명했는데 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명은 피감지체에 직접 접촉하지 않고 피감지체에서 복사되는 적외선 이외의 전자기파를 이용한 온도감지장치에 사용하는 것도 물론 가능하다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 온도감지장치의 제2실시예를 도시한 것으로서, 이를 참조하여 제2실시예를 설명하면 다음과 같다.

제2실시예는 제1실시예와 구성이 유사하나, 센서캡(20)의 상부 외주면에 노이즈성 적외선이 감지공(22)으로 입사되는 것을 방지하는 입사방지부재(26)가 설치된다. 이렇게 구성함으로써 노이즈성 적외선이 센서캡(20) 내부로 입사되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 상기 입사방지부재(26)의 높이(H1)는 시야각(θ)을 침범하지 않는 범위에서 설정할 수 있다. 그리고, 입사방지부재(26)와 함께 센서캡(20)의 내벽에 비반사층을 더욱 형성시켜 보다 정확히 피감지체의 온도를 측정하는 것도 물론 가능하다.

한편, 도 7은 본 발명에 따른 온도감지장치의 제3실시예를 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 제3실시예를 설명하면 다음과 같다.

제3실시예도 상술한 실시예와 유사하게, 센서(30), 감지공(22)이 형성된 센서캡(20)으로 구성된다. 다만, 감지공(22)은 소정 경사(φ)를 갖게 된다. 이때 감지공의 크기는 하부로 갈수록 작아지게 형성되므로, 감지공의 상부 크기(D1)가 하부 크기(D2)보다 크게 된다. 여기서, 감지공(22)의 내벽(28)에는 적외선이 잘 반사하도록 광택처리(polish treatment)를 하는 것이 바람직하다.

한편, 감지공(22)의 형상은 상부에서 하부로 갈수록 경사지는 형상이면 사용가능하나, 제조 등의 측면에서 보면 원뿔형으로 구성되는 것이 바람직하다.

도 8을 참조하여, 본 실시예의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

적외선이 감지공으로 입사하는 각도(θ/2, 이하 "감지공 입사각")와, 감지공으로 입사된 적외선이 상기 감지공의 내벽에서 반사된 후에 센서 방향으로 입사하는 각도(θ1/2, 이하 "센서 입사각")는 다음과 같은 관계가 있다.

θ1/2 = θ/2 + nφ (φ는 감지공의 경사각, n은 감지공에서의 반사횟수)

상기 식을 살펴보면, 센서 입사각(θ1)은 감지공 입사각(θ)보다 크게 됨을 알 수 있다. 이는 감지공(22)으로 소정 각도를 가지고 입사된 적외선이 감지공(22) 내에서 반사된 후 센서(30) 방향으로 입사될 때에 각도가 커지는 것을 의미한다.

따라서, 센서(30)에 입사되는 광량이 증가함을 알 수 있다. 왜냐하면, 센서(30)에 입사되는 광량은 센서(30)가 적외선을 받아들일 수 있는 각도, 즉 센서 입사각(θ1)의 최대범위에 비례하는데, 본 실시예에서는 상술한 식에서 알 수 있는 바와 같이 센서 입사각(θ1)이 커지지 때문이다.

결국, 제1실시예에 따른 온도감지장치와 비교해보면, 동일 시야각을 가질 때 본 실시예는 제1실시예보다 센서로의 입사광량을 증가시킬 수 있으므로 집광효율이 향상되어 보다 정확한 온도측정이 가능해진다.

여기서, 감지공(22)의 경사각(φ)은 감지공의 두께(L) 및 감지공의 크기(D1, D2)를 적절히 조절하면 조절가능하다. 다만, 외부의 이물질이 센서캡(20)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지하기 위해서는 감지공의 크기(D1, D2)는 작게 하고 감지공의 두께(L)는 크게 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서도 상술한 바와 같이, 노이즈성 적외선이 센서(30)에 입사되는 것을 방지하기 위하여 센서캡(20)의 내부에 비반사층을 형성시키는 것이 가능하다. 또한, 센서캡(20)의 상부에 노이즈성 적외선 입사방지부재를 설치하는 것도 가능하다.

다만, 비반사층을 형성시킬 경우에 본 실시예에서는 제1실시예와는 달리 감지공(22)의 내벽(28)에는 비반사층을 형성하지 않는다.

제1실시예 및 제3실시예에 따른 온도감지장치를 비교 실험한 결과는 다음과 같다.

제1실시예 및 제3실시예 모두 감지공(22)은 원형단면을 가지며, 센서캡의 높이(H)는 13.7mm인 경우에 대하여 실험하였다. 다만, 제1실시예는 감지공의 직경(D1)은 3.4mm인 경우에 대하여 실험하였고, 제3실시예는 상부 감지공의 직경(D1)은 3.4mm, 하부 감지공의 직경(D2)은 2.4mm, 감지공의 두께(L)는 6.7mm, 감지공의 저면에서 센서창까지의 거리(G)는 3.7mm인 경우에 대하여 실험하였다.

그 결과, 도 9에 도시한 바와 같이, 시야각의 변화에 따른 센서출력은 유사한 것을 알 수 있다. 즉 시야각이 좁을수록 출력전압이 높고, 클수록 출력전압이 낮음을 알 수 있다.

그러나, 센서(30)로 입사되는 평균 적외선 강도(Normalized IR Intensity)는 제3실시예가 제1실시예보다 약 63% 증가함을 확인하였다.

결국, 본 실시예에 의하면 센서캡의 내부에 이물질이 유입되는 것을 효율적으로 방지하면서도 집광효율을 높일 수 있게 된다.

상기에서 본 발명은 단지 몇몇의 실시예만을 설명하였으나, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다는 것을 이해할 것이다.

상술한 본 발명에 따른 온도감지장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 센서가 센서캡에 내장되며, 센서캡에 형성된 감지공의 크기가 매우 작므로 이물질에 의한 센서의 오염을 방지할 수 있다. 따라서 장기간 온도감지장치를 사용하여도 정확한 온도를 측정할 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 본 발명은 센서 주위의 온도편차를 최소화할 수 있으며, 또한 노이즈성 적외선이 센서에 입사하는 것을 방지할 수 있으므로 온도감지의 정확성을 향상시킬 수 있게 된다.

셋째, 센서캡의 높이 및 감지공의 크기를 조절함으로써 시야각을 적절히 조절할 수 있으므로 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 온도감지장치는 비교적 고가의 반사경이나 렌즈를 사용하지 않고, 제조도 간단하므로 생산원가를 절감할 수 있다는 이점이 있다.

Claims

피감지체에서 방출되는 적외선을 전기적 신호로 변환하는 센서와;

상기 센서를 내장하며, 상부에는 상기 적외선이 통과하는 감지공이 형성된 센서캡을 포함하여 이루어지는 온도감지장치.
제1항에 있어서,

상기 센서캡은 중공의 통형상이며, 상기 감지공의 중심과 상기 센서의 센서창의 중심은 대략 일치하며, 상기 감지공의 크기는 상기 센서창의 크기보다 약간 큰 것을 특징으로 하는 온도감지장치.
제1항에 있어서,

상기 센서캡의 내벽에는 적외선을 흡수하는 비반사층이 형성되는 것을 특징으로 하는 온도감지장치.
제1항에 있어서,

상기 센서캡은 열전도성이 높은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도감지장치.
제4항에 있어서,

상기 센서캡의 외벽에는 단열수단이 결합되는 것을 특징으로 하는 온도감지장치.
제1항에 있어서,

상기 센서캡의 상부에는 노이즈성 적외선의 입사를 방지하는 입사방지부재가 설치된 것을 특징으로 하는 온도감지장치.
제1항에 있어서,

상기 감지공은 상부에서 하부로 갈수록 크기가 좁아지도록 소정 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 온도감지장치.