KR20010015182A - 온도 센서의 응답 시간을 단축시키기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 센서의 응답 시간을 단축시키기 위한 방법에 관한 것으로, 온도 센서는 자동차의 배기 가스 도관에 배치된다. PID 제어기를 사용하므로, 온도 센서는 제어 파라미터(P, I 및 D)를 갖는다. 본 발명의 기초가 되는 문제점은 온도 센서의 응답 시간을 확실히 단축시키는 것이며, 자동차의 작동 모드를 변화시킴에도 불구하고, 온도 센서는 자동차의 배기 가스 도관에 배치된다. 상기 문제점은 배기 가스의 실온이 측정되며, 결과로서 생기는 센서 신호는 제어 파라미터(P, I 및 D)를 사용하여 알고리즘으로 계산되며, 상기 제어 파라미터(P, I 및 D)는 시상수(τ)를 사용하여 계산되며, 상기 시상수(τ)는 사용된 온도 센서의 함수 및 사용된 온도 센서에 대한 배치 함수로서 실제 자동차 데이터에서 생기며, 따라서 계산된 신호 값은 온도 진행을 예상하는데 사용되는 것으로 해결된다.

Description

온도 센서의 응답 시간을 단축시키기 위한 방법{Process for Shortening the Response Time of a Temperature Sensor}

본 발명은 온도 센서의 응답 시간을 단축시키기 위한 방법에 관한 것으로, 온도 센서는 자동차의 배기 가스 도관에 배치된다. PID 제어기를 사용하므로, 온도 센서는 제어 파라미터(P, I 및 D)를 갖는다.

온도 센서의 응답 시간 단축은 다양한 방법 및 수단에 의해 달성된다.

따라서, 독일특허 제 44 24 384 C2 호는 2차원 형태의 측정 팁을 갖는 온도 센서의 구조상 유리한 설계를 나타내며, 그것은 측정 팁의 외부 표면으로부터 센서 요소까지 신속한 열 천이를 보장한다. 여기에서, 측정이 성공적으로 수행될 수 있으며 구조의 소형화된 형태, 측정 매체와 센서 요소 사이의 거리 최소화 및 높은 열 전도성을 갖는 재료의 사용과 같은 공지된 방법으로 온도 센서의 응답 시간을 단축시킨다. 그러나, 임의의 적용을 위해, 안정한 케이싱을 갖는 로버스트 센서(robust sensors)가 필요하므로 외부 크기는 원하는 대로 감소될 수 없다.

그러나, 온도 센서의 다른 응답 시간 단축은 기대되는 온도 진행의 수학적 추정의 도움으로 구조상 설계를 변화시키는 것없이 달성될 수 있다. 상기 방법은 그 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 공지되어 있다. 따라서, 독일특허 제 30 16 246 C2 호는 시상수를 갖는 온도 센서에 따른 온도를 측정하기 위한 방법을 나타내며, 이것과 함께 보조 측정이 제 시간에 수개의 지점에서 수행된다. 다음 방법은 응답 시간의 단축을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

온도 센서의 응답 반응이 측정된 온도 또는 결과적인 센서 신호 -여기에서 전압 U_측정-는 하기 식(1)을 사용하여 수정된다는 점에서 최적화될 수 있다:

U_계산= U_측정+ τ ·dU_측정/dt

시상수(τ)를 아는 것은 U_계산를 계산하면 충분히 알 수 있다. 이러한 수정에 대한 단점은 가장 작은 외관 또는 U_측정상의 임의 최소 진동이 온도 변화로서 해석되는 것으로 나타나고, U_계산값은 영향을 받게 된다.

따라서, 하기 식(2)의 사용은:

U_계산＝ P·U_측정＋ DㆍdU_측정/dt ＋ Ｉㆍ∫U_측정dt

온도 센서의 응답 시간을 단축시키기에 가장 적합하다. 여기에서, 제어 파라미터(P, I 및 D)는 임의의 적용 형태 및 상술한 작동 방법에 가장 적당하다. 이것으로부터, 온도 센서의 가장 적당한 응답 반응이 생긴다. 그러나, 자동차의 변화된 작동 모드를 사용하여, 자동차의 데이터가 상당히 변화된다. 제어 파라미터(P, I 및 D)는 다른 작동 모드에서 미리 최적화되며, 이제는 적합하지 않게 된다. 오버슈트가 발생하며, 오버슈트는 시간 간격을 늘리고 센서 신호는 최종 온도를 나타낼 때까지 필요하다.

1998년판 자동화 기술 연습 40(11) 50 내지 57 페이지에 있는 "자동 조정 PID 제어기" 라는 B-M, Pfeiffer 및 D.Mohr 논문에서, PID 제어기의 자동 조정을 위한 간단한 개념이 설명되며, 그것은 SPS SIMATIC S7 이라는 소프트웨어를 사용하여 제어기와 함께 수행되고 파라미터 및 방법에 대한 선행 지식없이 자동 시동을 할 수 있다. 특히, 상기 개념은 온도 제어 시스템에 적용된다.

독일특허 제 23 43 511 C2 호는 제어 시스템에 대해 제어기의 제어 파라미터를 자동적으로 적합하게 하는 제어 장치를 나타내며, 상기 제어 파라미터는 참조 모델의 특수 성질 함수로서 조정된다. 따라서, 상기 참조 모델은 제어 모듈 및 제어 시스템 모듈의 적어도 1개의 직렬 연결을 포함하며, 다른 필터가 설치되고, 그것은 더 정확하고 빠른 작동 모드의 기능을 한다.

1989년판 msr, Berlin 32(10) 448 내지 452 페이지에 있는 "시간 영역에서 PID 제어기의 컴퓨터 지원 파라미터 최적화에 관하여" 라는 P. Rieger 및 H. Bischoff 논문에서, PID 제어기의 컴퓨터 지원 측정을 나타낸다. 여기에서, 제어기에 대한 전달 함수 구조는 특수하고 상술한 품질 표준에 최적 제어기 파라미터를 제공한다.

본 발명의 기초가 되는 문제점은 온도 센서의 응답 시간을 확실히 단축시키는 것이며, 자동차의 작동 모드를 변화시킴에도 불구하고, 온도 센서는 자동차의 배기 가스 도관에 배치된다.

상기 문제점은 배기 가스의 실온이 측정되며, 결과로서 생기는 센서 신호는 제어 파라미터(P, I 및 D)를 사용하여 알고리즘으로 계산되며, 상기 제어 파라미터(P, I 및 D)는 시상수(τ)를 사용하여 계산되며, 상기 시상수(τ)는 사용된 온도 센서의 함수 및 사용된 온도 센서에 대한 배치 함수로서 실제 자동차 데이터에서 생기며, 그 다음 계산된 신호 값은 온도 진행을 예상하는데 사용되는 것으로 해결된다. 센서 형태 및 선택된 자동차 데이터의 함수로서, 시상수(τ)는 다음 방법으로 하기 식(3)에 나타낸 알고리즘에 사용된다.

U_계산＝ P(τ)·U_측정＋ D(τ)ㆍdU_측정/dt ＋ Ｉ(τ)ㆍ∫U_측정dt

식 중:

U_계산= 계산된 신호값;

U_측정= 센서 신호;

P, I, D = PID 제어기의 특수 용도 제어 파라미터;

τ= 시상수; 및

t = 시간

자동차 데이터로서, 공기 질량 유동 및/또는 회전 속도(r.p.m) 및/또는 전동기 부하 및/또는 주입 연료량 및/또는 점화 지연 및/또는 냉각수 온도 및/또는 외부 온도 및/또는 오일 온도와 같은, 이용할 수 있는 값이 고려된다.

자동차에서 시상수(τ)는 배기 가스 속도(v)(도 1)의 함수인 것이 지배적이라고 인정되었다.

따라서, 공기 질량 유동(LMF)의 자동차 데이터 선택은 이러한 방법에 특히 유리하며, 이것은 배기 가스 속도(v)에 비례한다. 온도 센서의 고속 응답은 혼신 신호에 대해 높은 정확도 및 낮은 자화율이 생긴다.

온도 센서로서, 저항 온도 센서 또는 열전 소자 또는 서미스터가 사용될 수 있으며, 저항 온도 센서로서, 백금 저항 센서가 특히 적당하다.

도 1은 온도 센서에 대한 배기 가스 속도와 시상수의 관계를 도시하며,

도 2는 저항 온도 센서에 따른 온도 측정을 도시하고,

도 3은 저항 온도 센서에 따른 다른 온도 측정을 도시한다.

여기에서, 시상수(τ)는 공기 질량 유동의 함수 즉 τ= f(센서 형태: 공기 질량 유동(LMF))로 간주되어야 한다.

U_측정＝ U_계산＋ τㆍDㆍdU_측정/dt ＋ Ｉ/ τㆍ∫U_측정dt

v = LMF/(ρㆍA)

τ= αㆍv²+ βㆍv + γ

v = 배기 가스 속도 A = 배기 가스 파이프의 직경

ρ= 배기 가스의 밀도 α, β, γ= 도 1에 따른 2차 계수

τ= 시상수 D, I = 특수 용도 제어 파라미터

도 2는 T = 300 ℃ 의 배기 가스 온도 및 v = 11 ㎧ 의 배기 가스 속도로 자동차의 배기 가스에서 저항 온도 센서(TS200)에 따른 온도 측정을 도시한다. 측정 온도 진행 곡선 1은 식 (2) 또는 (3)을 사용하여 수정된 온도 곡선 2와 비교하여 도시된다. 식 (2) 또는 (3)의 사용으로 응답 시간의 단축이 완전히 인지될 수 있다.

도 3은 T = 700 ℃ 의 배기 가스 온도 및 v = 70 ㎧ 의 배기 가스 속도로 자동차의 수정된 작동 모드에서 저항 온도 센서(TS200)에 따른 다른 온도 측정을 도시한다. 측정된 온도 진행 곡선 1, 식(2)에 의해 수정된 온도 진행 곡선 2 및 본 발명에 따른 방법으로 얻은 온도 진행 곡선 3과 비교하여 도시된다. 실온은 실온 곡선으로 도시된다. 여기에서, 식(2)의 사용에 대한 단점이 분명해진다. 온도 진행 곡선 2는 오버슈트를 가지며, 오버슈트는 증가된 배기 가스 속도 때문에 주로 발생하고 응답 시간을 단축시키는 대신에 오히려 응답 시간을 길어지게 하는 원인이 된다. 이것의 원인은 식(2)에서 제어 파라미터(P, I 및 D)로 나타내며, 그것은 자동차의 실제 작동 모드에 적합하게 될 수 없다. 온도 진행 곡선 3으로부터 알 수 있는 것처럼, 이러한 효과는 본 발명에 따른 방법의 사용으로 제거된다. 현재 자동차 데이터를 사용하여 식(3)의 제어 파라미터(P, I 및 D)에 직접적인 영향을 줄 수 있는 가능성이 있기 때문에, 센서의 응답 반응은 자동차의 작동 모드의 변화에 또한 부정적인 영향을 주지 않는다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 온도 센서의 응답 시간을 단축시키기 위한 방법은 고속 응답으로 혼신 신호에 대해 높은 정확도 및 낮은 자화율이 생기는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 온도 센서가 자동차의 배기 가스 도관에 배치되며, PID 제어기를 가지며, PID 제어기는 제어 파라미터(P, I 및 D)를 갖는 방법에 있어서,

   배기 가스의 실온이 측정되며, 결과로서 생기는 센서 신호는 제어 파라미터(P, I 및 D)를 사용하여 알고리즘으로 계산되며, 상기 제어 파라미터(P, I 및 D)는 시상수(τ)를 사용하여 계산되며, 상기 시상수(τ)는 사용된 온도 센서의 함수 및 사용된 온도 센서에 대한 배치 함수로서 실제 자동차 데이터에서 생기며, 이것에 의해 계산된 신호 값은 온도 진행을 예상하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 온도 센서의 응답 시간을 단축시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   알로리즘은 하기 식으로 나타내지는 것을 특징으로 하는 방법.

   U_계산＝ P(τ)·U_측정＋ D(τ)ㆍdU_측정/dt ＋ Ｉ(τ)ㆍ∫U_측정dt

   식 중:

   U_계산= 계산된 신호값;

   U_측정= 센서 신호;

   P, I, D = PID 제어기의 특수 용도 제어 파라미터;

   τ= 시상수;

   t = 시간
3. 제 1 항 내지 제 2 항에 있어서,

   시상수(τ)를 결정하기 위해, 공기 질량 유동 및/또는 회전 속도 및/또는 전동기 부하 및/또는 주입 연료량 및/또는 점화 시점 및/또는 냉각수 온도 및/또는 외부 온도 및/또는 오일 온도가 현재 자동차 데이터로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,

   온도 센서로서, 저항 온도 센서 또는 열전 소자 또는 서미스터가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   저항 온도 센서로서, 백금 저항 센서가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.