KR20030016917A - Smart type gas sensor module - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산업현장에서 발생하는 각종 가스로부터 작업자의 안전을 확보하기 위해서 하나의 측정기로 여러 종류의 가스를 측정하고 관리할 수 있도록 하는 가스센서 모듈에 관한 것으로, 특히 상용의 가스센서에 신호처리부와 가스센서의 주요 특성치를 저장하고 있는 기억소자를 일체형으로 결합하여 필요에 따라 비전문가인 작업자들이 센서모듈을 교환하는 것만으로 다양한 가스를 정확하게 측정할 수 있게 함으로써 경제적으로 작업자의 안전을 확보하고, 유지관리의 편리성을 향상시킨 스마트형 가스센서 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor module that can measure and manage various types of gases with a single measuring device in order to ensure the safety of the operator from various gases generated in the industrial field, in particular a commercial gas sensor and a signal processor By integrating the memory elements that store the main characteristics of gas sensors into one piece, non-expert workers can accurately measure various gases simply by exchanging the sensor module as needed, thereby economically securing worker safety and maintenance It relates to a smart gas sensor module with improved convenience.
일반적으로, 산업화가 진전됨에 따라 산업현장에서 산소결핍, 다양한 유독성가스에 의한 중독, 폭발성가스에 의한 폭발사고의 위험이 증가하고 있으며, 해당 작업장에서 발생하는 가스의 종류도 다양해지고 있는 실정이다.In general, as industrialization progresses, the risk of oxygen deficiency, poisoning by various toxic gases, and explosion accidents due to explosive gases is increasing, and the types of gases generated in the workplaces are also diversified.
종래에는 산업안전용으로 사용되는 가스센서는 반도체식, 열전도도식 등이 사용되었으나 타 가스에 의한 교란, 측정 정확도, 안정성 등의 문제가 있어 일반적으로 전기화학식 센서가 이용되고 있다. 그러나, 산소와 독성가스이 경우, 측정원리는 비슷하여도 산소는 갈바니전지식, 독성가스는 정전위전해식으로 신호처리방식이 상이하고, 독성가스간에도 센서별로 출력신호의 크기와 극성이 다르고, 농도별 위험도도 상이하며, 특히 가연성가스는 보편적으로 촉매산화식을 사용하고 있어 측정원리 및 신호처리방식에 큰 차이가 있다. 이와 같이 각 측정가스별로 신호처리방식, 출력형태, 측정범위, 위험도 등의 차이 등으로 인하여 가스 측정기기를 제조 및 출고할 때 측정할 수 있는 가스가 한 가지로 고정되어 다른 가스를 측정하는 것이 불가능하였다. 따라서 다른 종류의 가스를 측정하기 위해서는 여러 종류의 서로 다른 가스측정기를 구비해야만 되기 때문에 작업자가 현장에서 노출될 수 있는 가스의 종류가 증가할수록 경제적인 부담이 증가하여 발생빈도가 낮은 위험 가스의 경우, 측정 및 관리가 원활하게 이루어지지 않는 경우가 많았으며, 여러 종류의 가스측정기를 보유하고 있어도 작업자가 모두 휴대하고 작업을 수행하기 어려웠다.Conventionally, a gas sensor used for industrial safety has been used a semiconductor type, a thermal conductivity type, etc., but electrochemical sensors are generally used because of problems such as disturbance, measurement accuracy, and stability caused by other gases. However, in the case of oxygen and toxic gas, the measurement principle is similar, but the oxygen is galvanic cell type and the toxic gas is electrostatic discharging type, and the signal processing method is different. The risks are also different. In particular, combustible gases generally use catalytic oxidation, so there is a big difference in measurement principles and signal processing methods. Thus, due to the difference in signal processing method, output type, measuring range, risk, etc. for each measuring gas, it is impossible to measure other gases because only one gas can be fixed when manufacturing and shipping gas measuring equipment. It was. Therefore, in order to measure different types of gas, it is necessary to have several different types of gas measuring instruments, so the economic burden increases as the type of gas that can be exposed to the worker increases, so in the case of dangerous gas with low frequency of occurrence, In many cases, measurement and management were not carried out smoothly, and even if there were several gas measuring instruments, it was difficult for workers to carry and carry out the work.
또한, 센서의 측정원리상 수명이 존재하기 때문에 센서의 교환이 필수적인데, 이때 센서간의 개별 편차 등으로 인하여 표준가스를 이용한 정밀한 교정작업이 필요하여 전문가가 센서를 교환해야 기기의 정확도를 유지할 수 있기 때문에 가스측정기의 유지관리에도 많은 어려움이 있었다.In addition, the exchange of sensors is necessary because of the longevity of the sensor's measurement principle.In this case, precise calibration using standard gas is required due to individual deviations between the sensors. Therefore, there were many difficulties in the maintenance of the gas meter.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 결함 및 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 하나의 가스센서에 센서구동 및 신호처리회로와 기억소자 등을 일체형으로 결합시켜 각 센서의 측정방식에 따라 가스에 반응할 수 있도록 센서를 구동하고, 다양한 출력신호의 형태 및 크기를 일정하게 처리하며, 센서의 종류, 센서출력에 따른 증폭률, 가스별 위험도에 따른 경보 설정값, 측정범위, 교정값 등을 미리 기억소자에 기록해 둠으로써, 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈을 소정의 가스측정기에 장착하면 별도의 기기 조정이나 조작없이 바로 해당가스를 측정할 수 있고,센서자체에 교정 및 주요 데이터가 내장되어 있어 비전문가도 쉽게 센서를 교환함으로써 정확도 및 유지 보수의 용이성을 향상시키기 위한 가스센서 모듈을 제공하고자 함에 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional defects and problems, and the sensor driving and signal processing circuit and the memory element are integrally combined with one gas sensor to react to the gas according to the measuring method of each sensor. The sensor is driven to handle various types of output signals and the size of the output, and the sensor type, the amplification rate according to the sensor output, the alarm setting value according to the risk for each gas, the measuring range, and the calibration value are stored in advance. By recording in the smart type gas sensor module of the present invention to a predetermined gas measuring instrument, the gas can be measured immediately without any additional device adjustment or manipulation, and the sensor itself has a built-in calibration and main data so that the non-expert The aim is to provide a gas sensor module to improve the accuracy and ease of maintenance by easily changing the sensor. The.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가스와 접촉하여 전기적 신호를 출력하는 가스센서(101)와: 상기, 가스센서(101)가 가스에 반응할 수 있도록 전기적 조건을 유지하는 센서구동회로(102)와: 가스농도에 비례하는 전류, 전압 혹은 저항의 변화 등 다양한 형태의 센서출력을 일정한 전압신호로 변환하고, 센서출력 신호의 크기를 일정범위로 증폭하는 1차 신호처리회로(103)와: 영점 교정값, 증폭율, 1차 경보값, 2차 경보값, 단기간 노출허용농도(STEL, Short term exposure limit), 시간가중평균농도(TWA, Time weighted average), 교정가스농도, 최대 측정범위, 분해능, 센서종류, 센서표시 문자 셋, 센서 일련 번호, 마지막 교정 일자 등 다양한 센서정보를 담고 있는 기억소자(104)와: 다수의 스마트형 가스센서 모듈(100)이 하나의 기기에 장착될 경우, 기억소자(104)와 원활하게 통신하기 위한 어드레스 입력부(105)로 구성되어 센서자체에 측정 및 경보에 필요한 모든 정보와 신호처리회로를 내장함으로써 센서 모듈만을 교체하여 다른 가스를 정확하게 측정하거나 쉽게 유지 보수할 수 있는 스마트형 가스센서 모듈을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a gas sensor 101 for contacting gas and outputting an electrical signal: the sensor driving circuit 102 for maintaining an electrical condition so that the gas sensor 101 can react with the gas. And: Primary signal processing circuit 103 for converting various types of sensor output, such as a change in current, voltage or resistance, proportional to gas concentration into a constant voltage signal, and amplifying the magnitude of the sensor output signal to a predetermined range. Zero calibration value, amplification factor, primary alarm value, secondary alarm value, short term exposure limit (STEL), time weighted average (TWA), calibration gas concentration, maximum measuring range, Memory device 104 containing various sensor information such as resolution, sensor type, sensor display character set, sensor serial number, last calibration date, etc .: When a plurality of smart gas sensor modules 100 are installed in a single device, Memory element 104 and circles A smart gas that is composed of an address input unit 105 for active communication, and has all the information and signal processing circuits necessary for measurement and alarm in the sensor itself so that only the sensor module can be replaced to accurately measure or easily maintain other gases. Provide a sensor module.
도 1 은 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈의 구성을 도시한 블록도.1 is a block diagram showing the configuration of a smart gas sensor module of the present invention.
도 2 는 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈이 장착된 가스측정기의 전체 구성을 도시한 블럭도.Figure 2 is a block diagram showing the overall configuration of a gas meter equipped with a smart gas sensor module of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
(100) : 스마트형 가스센서 모듈 (101) : 가스센서(100): smart gas sensor module (101): gas sensor
(102) : 센서구동회로 (103) : 1차 신호처리회로(102): sensor drive circuit (103): primary signal processing circuit
(104) : 기억소자 (105) : 어드레스 입력부(104): Memory element 105: Address input section
(200) : 신호처리부 (201) : 2차 신호처리회로200: signal processing unit 201: secondary signal processing circuit
(202) : AD변환기 (300) : 중앙제어부(202): AD converter 300: central control unit
(301) : MCU(마이크로프로세서) (302) : 출력부(301): MCU (microprocessor) (302): output unit
(303) : 입력부 (304) : 통신부(303): input unit 304: communication unit
(305) : 기억장치부 (306) : 어드레스 설정부305: memory unit 306: address setting unit
(400) : 전원부400: power supply
이하, 이와 같은 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail by the accompanying drawings of the embodiment of the present invention as follows.
도 1 은 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2 는 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈이 장착된 가스측정기의 바람직한 구성을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a smart gas sensor module of the present invention, Figure 2 is a block diagram showing a preferred configuration of a gas measuring instrument equipped with a smart gas sensor module of the present invention.
먼저 도 1 을 참조하면, 가스센서별로 상이한 측정원리에 따라 독성가스의 경우, 연삭증폭기를 이용하여 기준전극과 대응전극간의 전위를 일정하게 유지시키고, 가연성가스의 경우, 휘트스튼브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 등 센서구동방식에 따라 표면실장 부품을 이용하여 구현한 센서구동회로(102)와 가스 농도에 비례하는 전류신호나 저항변화를 전압으로 변환시키기 위하여 연산증폭기를 이용한 1차 신호처리회로(103)를 구성하였다. 상기 1차 신호처리회로(103)는 가스센서별로 상이한 출력 신호의 크기를 가스측정기에서 일괄적으로 처리할 수 있도록 연산증폭기의 궤환저항을 센서별로 설정하여 최종적으로 스마트형 가스센서 모듈(100)의 출력신호의 형태 및 크기를 일정하게 유지시켰다.First, referring to FIG. 1, in the case of toxic gas according to different measuring principles for each gas sensor, the potential between the reference electrode and the corresponding electrode is kept constant using a grinding amplifier, and in the case of flammable gas, Wheatstone bridge A sensor driving circuit 102 implemented using surface-mount components according to a sensor driving method, and a primary signal processing circuit using an operational amplifier to convert a current signal or a resistance change proportional to a gas concentration into a voltage. 103). The primary signal processing circuit 103 sets the feedback resistance of the operational amplifier for each sensor so that the magnitude of the output signal different for each gas sensor can be collectively processed by the gas measuring instrument. The shape and size of the output signal were kept constant.
기억소자(104)는 EEPROM과 같은 비휘발성 기억소자를 사용하였으며, 해당 스마트형 가스센서 모듈(100)의 최대 측정범위, 분해능, 증폭률 등 신호처리 및 측정에 필요한 정보와 영점교정, 스팬교정, 교정가스의 농도, 기기의 정기적인 교정를 위한 마지막 교정 일자 등 교정관련 정보, 해당가스의 위험도에 따른 1차 경보값, 2차 경보값, 단기간 노출허용농도(STEL, Short term exposure limit), 시간가중평균농도(TWA, Time weighted average) 등 가스의 위험을 사용자에게 알려주기 위한 경보 설정값 정보, 그리고, 센서종류, 센서표시 문자 셋, 센서 일련번호 등의 정보를 담고 있다.The memory device 104 uses a nonvolatile memory device such as an EEPROM, and information necessary for signal processing and measurement such as the maximum measurement range, resolution, and amplification factor of the smart gas sensor module 100, and zero calibration, span calibration, and calibration. Calibration related information such as gas concentration, date of last calibration for regular calibration of the instrument, primary alarm value, secondary alarm value, short term exposure limit (STEL), time weighted average It contains alarm setting value information to inform the user of the danger of gas such as concentration (TWA, Time weighted average), and sensor type, sensor display character set and sensor serial number.
또한 여러 개의 스마트형 가스센서 모듈(100)들이 하나의 기기에 장착되어 사용될 수 있도록 하기 위하여, 상기 언급한 기억소자(104)의 어드레스를 중앙제어부(300)에서 설정할 수 있도록 어드레스 입력부(105)를 구성하여 하나의 기기에 여러 개의 스마트형 가스센서 모듈(100)을 동시에 장착할 수 있게 하였다.In addition, in order to allow several smart gas sensor modules 100 to be mounted and used in one device, the address input unit 105 may be configured to set the address of the above-mentioned memory device 104 in the central controller 300. By configuring several smart gas sensor module 100 in a single device can be mounted at the same time.
이하 도 2 를 참조하면, 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈이 장착되는 바람직한 가스측정기의 전체 구성을 도시한 블록도로, 가스 농도에 비례하는 일정 크기의 전압신호와 장착된 센서의 측정관련 정보, 교정관련 정보, 경보관련 정보 및 센서정보를 마이크로프로세서(301)에 제공하는 본 발명의 스마트형 가스센서 모듈(100)과: 스마트형 가스센서 모듈(100)이 출력하는 전압신호를 2차로 증폭하고 처리하는 2차 신호처리회로(201), 마이크로 프로세서(301)에서 처리할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD변환기(202)로 구성된 신호처리부(200)와: 상기, 스마트형 가스센서 모듈(100)로부터 센서 종류 및 각종 정보를 읽고, 이 정보를 이용하여 디지털화된 신호를 농도로 변환하고, 각종 주변장치를 제어하는 마이크로프로세서(301), 측정된 농도값과 경보 및 기기의 상태를 그래픽 LCD와 같은 표시소자를 이용하여 표시하고, 경보조건이 되면 고휘도 LED와 고음의 부져, 진동모터를 이용하여 경보를 출력하는 출력부(302), 측정되는 가스농도 및 기기의 On/Off, 경보의 발생, 사용자에 따른 설정치의 변경 등 기기 사용시 특이점을 연속적으로 저장하는 기억장치(305), 기억된 농도값 및 기기의 사용 상태를 컴퓨터를 통해 분석할 수 있도록 유선 또는 무선 방식으로 전송하는 통신부(304), 상기 스마트형 가스센서 모듈(100)의 기억소자(104)의 어드레스를 설정하여 하나의 기기에다수의 모듈을 장착하여도 원활하게 통신할 수 있도록 하는 어드레스 설정부(306)로 구성된 중앙제어부(300)와: 배터리로부터 전원을 공급받아 일정한 전압을 전체 모듈에 공급하는 전원부(400)로 구성되었다.Referring to Figure 2, a block diagram showing the overall configuration of the preferred gas meter is equipped with a smart gas sensor module of the present invention, a voltage signal of a certain size proportional to the gas concentration and measurement-related information, calibration of the mounted sensor Smart gas sensor module 100 of the present invention for providing related information, alarm information and sensor information to the microprocessor 301: amplifying and processing the voltage signal output from the smart gas sensor module 100 to secondary A signal processing unit 200 including an AD converter 202 for converting an analog signal into a digital signal for processing by the secondary signal processing circuit 201 and the microprocessor 301; A microprocessor 301 which reads the sensor type and various information from 100, converts the digitized signal into a concentration using this information, and controls various peripheral devices, and the measured concentration. And an output unit 302 for displaying an alarm and the state of the device using a display element such as a graphic LCD, and outputting an alarm using a high-brightness LED and a high buzzer and a vibration motor when an alarm condition is met. Memory 305, which continuously stores outliers when using the device, such as on / off of the device, alarm generation, and change of the set value according to the user, and wired or Set the address of the communication unit 304 to transmit in a wireless manner, the memory element 104 of the smart gas sensor module 100 to facilitate the communication even if a large number of modules in one device The central control unit 300 composed of a unit 306 and: a power supply unit 400 that receives power from the battery and supplies a constant voltage to the entire module.
이하, 도 1과 도 2 를 함께 참조하면 내부 배선을 최소화하고, 스마트형 가스센서 모듈(100)과 중앙제어부(300)간에 원활한 통신을 위하여 공통버스 형태의 직렬통신을 이용하였고, 복수개의 스마트형 가스센서 모듈(100)간의 충돌을 방지하기 위하여 스마트형 가스센서 모듈(100)내의 기억소자(104)에 대한 어드레스를 설정할 수 있도록 하였다.Hereinafter, referring to FIG. 1 and FIG. 2, internal wiring is minimized and common bus type serial communication is used for smooth communication between the smart gas sensor module 100 and the central control unit 300. In order to prevent a collision between the gas sensor modules 100, an address for the memory device 104 in the smart gas sensor module 100 may be set.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
이상에서 설명한 바와 같은 스마트형 가스센서 모듈은 가스의 측정 및 관리에 필요한 사항을 갖추고 있어, 가스측정기에 단지 가스센서 모듈을 교환하는 것으로 별도의 기기 조정이나 조작없이 여러 종류의 가스를 신속하고 정확하게 측정할 수 있으므로, 작업자가 노출될 수 있는 가스 종류별로 별도의 가스측정기를 구비할 필요없이, 단지 하나의 가스측정기와 측정해야하는 가스별로 스마트형 가스센서 모듈을 구비하는 것으로도 작업자의 안전을 확보할 수 있어, 종래의 방식에 비하여경제적이며, 제조사의 경우에는 다양한 가스별로 기기를 제작할 필요가 없어 제조공정의 단순화와 재고부담의 경감을 실현할 수 있다.As described above, the smart gas sensor module is equipped with the necessary items for gas measurement and management, and by simply replacing the gas sensor module with the gas measuring device, various types of gases can be measured quickly and accurately without additional device adjustment or operation. Therefore, the safety of the worker can be secured by having only one gas meter and a smart gas sensor module for each gas to be measured, without having to provide a separate gas meter for each type of gas to which the worker can be exposed. As a result, it is more economical than the conventional method, and the manufacturer does not need to manufacture equipment for various gases, thereby simplifying the manufacturing process and reducing inventory burden.
또한 가스센서의 수명이 종료되어 센서를 교체할 경우에도, 종래에는 전문가에 의한 표준가스 교정작업이 필요하여 사용자가 쉽게 센서 교체를 수행할 수 없어 기기의 운용에 따른 경제적 부담이 많았으나, 본 발명의 모듈은 센서에 대한 모든 정보가 자체에 내장되어 있기 때문에 비전문가인 일반 작업자가 간단하게 센서 모듈을 용이하게 교체할 수 있다는 효과가 있다.In addition, even when the sensor is replaced due to the end of the life of the gas sensor, in the past, the standard gas calibration work by an expert is required, so that the user cannot easily replace the sensor, the economic burden of operating the device was much, but the present invention The module has the effect that all information about the sensor is embedded in it, so that non-expert personnel can easily replace the sensor module.
Claims (1)
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